Технология пайки металлических материалов. Пайка титана и сплавов. Пайка сталей и чугуна

Высокотемпературная пайка алюминия и сплавов. Высокотемпературная пайка алюминия и сплавов выполняется припоями на основе алюминия. Такие припои не вызывают коррозии в зоне паяных швов, так как разность нормальных электродных потенциалов припоев и паяемого металла незначительна.

Низкотемпературная пайка по технологическому покрытию. При низкотемпературной пайке в качестве технологического покрытия используют металлы: Cu, Ni, Ag, Zn, которые наносят на паяемую поверхность электролитически, химически, либо термовакуумным напылением. Пайка по покрытиям может осуществляться Sn-Pb припоями с применением канифольно-спиртовых флюсов или флюсов на основе водного раствора ZnCl2.

Безфлюсовая пайка ультразвуковым паяльником (ультразвуковое лужение) для покрытия поверхности алюминия и его сплавов, а также керамики, ферритов, сталей перед пайкой легкоплавким припоем.

Для ультразвукового лужения используют ультразвуковые паяльники или ванны. Под действием ультразвуковых колебаний (частота 18-60 КГц при интенсивности излучения 8-16Вт/м²) в жидком припое возникают макро- и микропотоки, уносящие частицы окислов. Используется ванна с Sn при 280°С, интенсивность колебаний зависит от состава припоя. Длительность лужения < 1с; недостатком является сильная эрозия поверхности паяемого металла, детали толщиной < 0,5 мм нельзя подвергать лужению этим способом.

Припои на основе алюминия обеспечивают получение паяных соединений с высокими коррозионными и механическими свойствами, однако они имеют сравнительно высокую температуру плавления (до 600-630⁰С), что затрудняет проведение пайки. В припои на алюминиевой основе вводят кремний, серебро, медь, цинк, кадмий, германий.

Наилучшие коррозионные свойства обеспечивают припои системы Al-Si (4-13% Si), например, эвтектический сплав, содержащий 12% Si, с Т_пл.=577⁰С, однако такие припои имеют высокую (относительно паяемого металла) температура плавления, что затрудняет проведение пайки.

Введениев припой системы Al-Si дополнительно Cu снижает температуру плавления припоя (28% Cu): образуется тройная эвтектика с Т_пл.=525⁰С (припой 34А: 66Al-28Cu-6Si).При пайке используется флюс следующего состава: 54-56 КCl; 29-35 LiCl; 9-11 NaF; 8-12 ZnCl₂ (флюс 34А).

Припой системы Al-Si-Cu используется для пайки сплавов с высокой температурой плавления (АВ, АМц, АМг), они непригодны для пайки дуралюмина (Д1, Д16), не допускающего нагрева выше Т=505⁰С.

Легирование алюминиевого припоя цинком и германием снижает температуру его плавления и следовательно температуру пайки.

Состав германиевого припоя на основе алюминия (вес.%): Si-5,5, Mn-1,5, Ge-28; Т_пл.=440⁰С; Zn 24-26, Cu-20, Si-3,5; Т_пл.=490-500⁰С. Флюсы – смеси солей хлоридов щелочных металлов с добавлением фторидов металлов.

Используют для пайки сплавов АМц, Д20 горелками (с бензино- или газовоздушным пламенем, а не ацетиленокислородным, которое, взаимодействуя с флюсом, снижает его активность). Зазор при флюсовой пайке – 0,1-0,25 мм.

Высокотемпературная флюсовая пайка алюминия и сплавов может производиться с применением газопламенного, печного, индукционного, контактного нагрева и путём погружения в расплавы флюсов.

Печной нагрев. Для печной пайки применяют припой 34А и флюс 34А, Т_п.=550-560⁰С; припой эвтектического состава системы Al-Si: Т_пл=580-590⁰С, Т_п=600⁰С.Используют для пайки тонкостенных ажурных конструкций, скорость нагрева при пайке зависит от толщины стенок соединяемых деталей.

Однако применение флюса 34А при печном нагреве опасно из-за растворения паяемого металла цинком, выделяющимся из флюса; при пайке тонкостенных изделий это может привести к сквозному проплавлению. Поэтому во флюсе заменяют ZnCl₂ на SnCl₂, CdCl₂, PbCl₂.

Пайка в соляных ваннах: пайка погружением в расплавах солей используется при изготовлении конструкций из алюминия и сплавов с применением готовых припоев или плакированного слоя. Иногда используют реактивно- флюсовую пайку с образованием припоя в результате взаимодействия активных компонентов солей с паяемыми материалами.

Реактивно-флюсовая пайка алюминия - разновидность флюсовой высокотемпературной пайки; пайку выполняют погружением в соляную ванну, в состав которой входит небольшое количество активных хлоридов – ZnCl₂, SnCl₂, CdCl₂.

После пайки необходима тщательная обработка: промывка в проточной горячей и холодной воде, последующая обработка в 5% растворе HNO₃ и 10% растворе хромового ангидрида Cr₂O₅.Основной недостаток флюсовой пайки алюминия - высокая коррозионная активность алюминия.

Пайка алюминия с медью: пайку выполняют по покрытию: например на поверхность алюминия наносят никелевое покрытие, пайку осуществляют в водороде припоем следующего состава: 49Ag, 20Cu, 31Zn. Еще один пример: на поверхность меди наносят защитное цинковое или серебряное покрытие, для пайки используют припои на основе Sn, Cd, Zn. Через серебряное покрытие на меди может быть осуществлена контактно-реактивная пайка. Но при этом в шве образуется хрупкая эвтектика Al-Ag-Cu; такие соединения могут быть использованы только в ненагруженных конструкциях.

Пайка алюминия со сталью выполняется после предварительного лужения стальной поверхности припоями системы Sn-Pb, Al-Si с применением активных флюсов на основе фтористых и хлористых солей.

Лекция 13

Пайка титана и сплавов. Особенности выполнения пайки определяются высоким химическим сродством титана и сплавов к кислороду, азоту, водороду, отсюда – высокая химическая и термическая стойкость его окислов.

Титан – химический элемент 4-й группы периодической системы элементов Менделеева, порядковый номер 22, атомный вес 47,9. Титан – тугоплавкий металл белого цвета, существует в двух аллотропических модификациях a- и b -титан при температурах выше 882⁰С. Удельный вес a-титана составляет 4,5г/см³, Т_пл=1665±5⁰С.

Титан является переходным элементом и имеет недостроенный слой 3d электронной оболочки. В большинстве химических соединений титан четырёхвалентен, реже - трёхвалентен. Химическая активность титана с повышением температуры возрастает, он поглощает водород при 20⁰С, при 300⁰С скорость поглощения водорода весьма высока (отсюда - водородная хрупкость титановых сплавов). Растворимость водорода в титане обратима, что позволяет почти полностью удалить примесь водорода вакуумным отжигом. Заметное взаимодействие Ti c O₂ начинается при 600⁰С, с N₂ – выше 700⁰С.

Примеси O₂, N₂, H₂, C, образующие с титаном твердые растворы внедрения, ухудшают его механические свойства. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию прочной оксидной плёнки.

Титан образует сплавы практически со всеми металлами (за исключением щелочных и щелочноземельных), а также с Si, B, H₂, N₂, O₂.

Легирующие элементы оказывают определенное влияние на температуру аллотропического превращения титана:

- элементы, повышающие температуру превращения – (Al, O, N), называются a - стабилизаторами;

- понижающие температуру превращения (большинство металлов, например Mo, Mn) - b-стабилизаторы;

- элементы, мало влияющие на температуру превращения, называются нейтральными, или двухфазными упрочнителями.

По структуре титановые сплавы делятся на 4 группы:

1 группа - сплавы с a-структурой: Ti и сплавы Ti-Al, Ti-Sn, Ti-Zr; не содержат b-стабилизаторов, хорошо свариваются сваркой плавлением, сохраняют высокую пластичность при низких температурах и не чувствительны к упрочняющей термообработке. Недостаток – пониженная технологическая пластичность.

2 группа - двухфазные сплавы a+b с преобладанием a - структуры, содержащие до 2% b-стабилизаторов (Cr, Mn, Fe, Si, Cu, Ag, Au). Эти сплавы более пластичны, чем a-сплавы, при сохранении хорошей свариваемости; к термообработке нечувствительны.

3 группа - двухфазные сплавы a+b, содержащие более 2%b-стабилизаторов. Обладают хорошей пластичностью после отжига или закалки и высокой прочностью после закалки и старения. Свариваются хуже, чем 1 и 2., после сварки необходима термообработка для повышения пластичности шва.

4 группа - сплавы с преобладанием b-фазы. Очень пластичны при комнатной температуре, после термообработки прочность очень увеличивается, сварной шов пластичен после сварки, хрупок после упрочнения термообработкой.

a-сплавы:

ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ1-1, ВТ1-2 - технический титан; ВТЛ – сплав (вес.%) - 5Al, 1,0Si;

Ti-2Al – 2,5Al; ВТ5-1 – 5Al, 2,5Sn;Ti-3Al – 3,4Al; Ti-Al-Zr – 2Al, 2,5Zr; BT5 – 5Al; BT10 – 5Al, 2,5Sn, 3Cu.

a+b-сплавы (b-стабилизаторов до 2%)

OT4-1 – 2Al, 1,5Mn; АT3 – 3Al, 1,5 (Fe+Cr+Si+B);OT4 – 3Al, 1,5Mn; AT4 – 4Al, 1,5 (Fe+Cr+Si+B); OT4-2 – 6Al, 1,5Mn; BT4 – 4Al, 1,5Mn; BT-12 – 4Al, 1Mo, 3Sn, 2Zr.

a+b-сплавы (b-стабилизаторов более 2-х%)

ВТ6 – 4,5Al, 3,5V; BT6 – 6Al, 4V; BT8 – 6,5Al, 3,5Mo, 0,25Si; BT14 – 4Al, 3Mo, 1V; BT16 – 2,5Al, 7,5Mo.

b-сплавы: BT – 3Al, 8Mo, 11Cr

В качестве жаропрочных сплавов применяют ВТ3, ВТ3-1, ВТ5, ВТ5-1, ВТ8, ВТ9. При длительной работе Т_раб.=500-550⁰С, при кратковременной работе – Т_раб.=800⁰С.

В результате высокой растворимости О₂ и N₂ и a-стабилизирующим действием этих элементов на поверхности титана образуется малопластичный слой a -твердого раствора (альфированный слой). Водород мало растворим в a-Ti, но образует с a-сплавами гидрид титана – TiOH, способствующий его охрупчиванию. Поэтому восстановительные газовые среды, содержащие H₂, N₂, не пригодны для пайки титана исплавов.

При 650-700⁰С образуется стойкий окисел TiO₂ (рутил), выше 900⁰С – нитриды с N₂ воздуха. При нагреве в чистом Ar или вакууме – оксид и нитрид не образуется.

Низкотемпературная пайка: на воздухе припоями системы Sn-Pb только по покрытию Ni, Cu, Sn (химически или гальванически нанесённому).

Облуживание Ti при 700-750⁰С, t³15мм в расплаве Sn при использовании активных флюсов (SnCl₂,AgCl),при этом происходит восстановление металлов из их расплавленных солей по реакции:

Ti + 2SnCl₂ = TiCl₄­ + 2Sn

Ti + 4AgCl = TiCl₄­ + 4Ag

Соединения титана, паянные с применением флюсов, некачественны, поэтому низкотемпературную пайку применяют редко.

Высокотемпературная пайка титана и сплавов в вакууме или Ar марки А1, тщательно очищенном от примесей O₂, N₂ и паров воды. Т_пайки > 700⁰С (800-900⁰С); при Т>900⁰С проявляется склонность к росту зерна и снижение пластических свойств паяных соединений.

Водород, всегда находящийся в титане и снижающий его пластичность, удаляется при пайке (или нагреве) в вакууме 0,01Па при Т_н»900⁰С, поэтому пайка титана в вакууме предпочитательнее, чем в Ar.

При выборе припоя, способа и режима пайки учитывают, что титан образует хрупкие интерметаллиды в паяном шве практически со всеми элементами, входящими в припои: основа припоя серебро – образует с титаном интерметаллид, менее хрупкий, чем с другими элементами; основа припоя алюминий – образует с титаном ограниченные области твёрдых растворов, что позволяет рассчитывать на получение менее хрупких паяных соединений.

Состав припоев (вес.%): Ag, Ag + Al (Al<5%), Ag-Al-Li (Al<5, Li-0,2- (улучшает растекание), Ag-Sn (Sn£5%), Ag-Cu (Cu 7-10%).

Интерметаллид TiAl₃ характеризуется малой скоростью роста; интерметаллиды TiCu₃, Ti₂Cu – растворяются в припое; TiNi и TiAg – пластичные; Ti₂Ni – хрупкий.

1) Пайка в контейнерах, фольга d=0,2мм; вакуум Р=2´0,0001Па, Т_п=680⁰С, t=3мин.

2) Пайка в контейнерах из тонколистовой коррозионно-стойкой стали, изделия изолируют прокладками из молибдена, слюды или керамики. Припой – фольга или порошковые пасты, медленный нагрев до 600⁰С в вакууме (Р=1,3´0,001 Па), заполнение рабочей полости Не, быстрый нагрев до Тп=930-960⁰С.

Припои на основе никеля и меди дают ещё более высокопрочные соединения, но никель и медь растворяют титан, вызывая сильную эрозию и охрупчивание в зоне шва.

Диффузионная пайка даёт более пластичные и прочные соединения. Используют минимально необходимое количество припоя (фольга δ=50мкм или напыленный слой)), например, Ni, Cu, Fe, Go, выдерживают при температуре пайки до тех пор, пока в паяном соединении не образуется пластичный твёрдый раствор. Прочность соединений, полученных таким способом, близка к прочности паяемого металла.Т_п=960-980⁰С, t=12 час