Опубликовано в журнале:
Сварочное производство, № 1, 1996, с. 15-19.
Аморфные ленточные припои для высокотемпературной пайки. Опыт разработки технологии производства и применения.
Б.А. Калин, В.Т. Федотов, О.Н. Севрюков, А.Е. Григорьев и др.
Аморфные металлические сплавы (АМС) – новый класс материалов с уникальными физико-механическими и химическими свойствами. Высокие характеристики изделий, изготовленных с применением АМС, обусловлены их аморфной структурой, формирование которой происходит в процессе быстрого затвердевания расплава со скоростью охлаждения 104-106 oС/с.
Одними из наиболее перспективных материалов этого класса для практического применения являются АМС-припои. Разработанная технология позволяет получать их в виде тонкой пластичной гибкой ленты толщиной 20-100 мкм из труднодеформируемых сплавов, припои из которых обычно используют в виде порошков и паст с органическим наполнителем. В отличие от них пластичная гибкая лента АМС-припоя используется в строго дозируемом количестве, ее химическая и микроструктурная однородность обеспечивает узкие температурные интервалы плавления, высокую прочность и коррозионную стойкость паяных соединений, улучшает диффузионную активность и затекание в зазор. АМС-припои часто позволяют отказываться от применения флюса и в ряде случает заменяют серебро- и золотосодержащие припои.
В настоящее время разработка, исследование и применение АМС-припоев [1-3] развиваются в направлении создания композиций, отвечающих требованиям экологии, экономичности, обеспечивающих решение технических проблем, возникающих при применении традиционных припоев.
В целом производство АМС-припоев можно рассматривать как отрасль прецизионной металлургии, поскольку многокомпонентные системы со строго заданной концентрацией легирующих элементов, обеспечивающих необходимые свойства, требуют высокоточного оборудования на всех стадиях технологического цикла.
В данной статье описан опыт организации производства и применения АМС-припоев, разработанных на кафедре физических проблем материаловедения МИФИ и выпускаемых предприятием МИФИ-АМЕТО. АМС-припои можно использовать для пайки широкого круга материалов в любой комбинации: меди и медных сплавов, никеля и его сплавов, коррозионно-стойких сталей, титана и его сплавов, циркония, бериллия, тугоплавких металлов, твердых сплавов, оксидной керамики, графита и др. При разработке каждого припоя проводили теоретический анализ и экспериментальное исследование физико-химических особенностей данного сплава, оценку критериев аморфизации, комплекс экспериментов по быстрому затвердеванию, оценку паяльных свойств предложенных композиций в аморфном состоянии, определение мханических характеристик паяных соединений, подготовку рекомендаций по применению АМС-припоев, натурную пайку изделий у потребителя.
Основной единицей технологического оборудования, применяемого МИФИ-АМЕТО, является промышленная установка быстрого затвердевания "Кристалл-702". Блок-схема установки приведена на рис. 1. Используемые авторами "ноу-хау" и технологические приемы значительно расширили ее функциональные возможности. Установка может работать как в режиме спиннингования, так и в режиме закалки плоской струи расплава, что позволяет варьировать ширину ленты от 1 до 50 мм и толщину от 15 до 150 мкм. Прецизионный контроль газовой среды при разливке позволяет изготавливать АМС-припои из активных сплавов металлов (титана, циркония, ниобия, ванадия и др.), обеспечивает однородность состава сплава и отсутствие оксидных включений в поверхностных слоях и внутри ленты (что является очень важным при пайке тонкостенных изделий сложной формы, например из сплавов титана).
Составы выпускаемых МИФИ-АМЕТО АМС-припоев марки СТЕМЕТ, особенности их применения и вид поставки представлены в таблице (примечание: таблица дана по состоянию на сегодняшний день). Технология изготовления припоев в аморфном состоянии разработана авторами, припои сертифицированы либо находятся в стадии сертификации (согласования технических условий с потребителями).
Разработки авторов охватывают ряд припоев для высокотемпературной пайки: от быстрозакаленных силуминов с температурой плавления 575
° С до никель-ниобий-ванадиевого припоя (1200 ° С).Система алюминий-кремний с добавками упрочняющих элементов. Разработаны составы и технологии изготовления аморфно-кристаллических пластичных ленточных припоев (СТЕМЕТ 1501 и его модификации) толщиной 50-100 мкм и шириной до 20 мм для бесфлюсовой вакуумной пайки бериллия, алюминия и его сплавов. (Примечание: В настоящее время припой СТЕМЕТ 1501 снят с производства).
Припои на медной основе. Разработаны составы и технологии изготовления ленточных аморфных припоев толщиной 30-60 мкм и шириной до 20 мм для пайки меди и медных сплавов (СТЕМЕТ 1101
), сталей, меди со сталями (СТЕМЕТ 1108). Отличительной особенностью припоя СТЕМЕТ 1101 при пайке в условиях приложенного давления является его чрезвычайно высокая диффузионная активность, в результате чего происходит практически полное рассасывание припоя (рис. 2). Это обеспечивает прочностные и электротехнические характеристики паяного соединения, близкие к соответствующим характеристикам паяемого материала.На рис. 3 приведено распределение элементов припоя ПСр 15 в паяном соединении медь-медь. Сопоставляя экспериментальные данные (см. рис. 2 и 3), можно сделать вывод о целесообразности замены припоя ПСр 15 припоем СТЕМЕТ 1101 при пайке медных изделий в электротехнике.
В АО "Электросила", используя полученные результаты, осваивают технологию пайки петушков коллекторных пластин машин постоянного тока серии МП и МПЭ припоем СТЕМЕТ 1101. Высокая жидкотекучесть, активность и обусловленная этими свойствами способность припоя заполнять малые (менее 0,1 мм) зазоры позволяют укладывать ленту рядом с зазором при пайке газовой горелкой в труднодоступных местах конструкций из меди.
Припой СТЕМЕТ 1101 применяют на Ангарском электромеханическом заводе для пайки элементов электротехнической аппаратуры.
Припой СТЕМЕТ 1108 (медь-основа, 11-13% олова, 1-3% никеля) с добавкой в качестве депрессанта индия разработан для замены серебросодержащих припоев при пайке меди со сталями. Проведенные механические испытания паяного соединения из сталей Х18Н10Т-Х18Н10Т показали, что предел прочности на отрыв составляет 160 МПа.
Никелевые припои. Разработаны составы и технологии изготовления ленточных аморфных припоев толщиной 20-60 мкм и шириной до 50 мм для пайки коррозионно-стойких и дисперсионно-упрочненных сталей, жаростойких никелевых сплавов и твердых сплавов со сталями. Следует подчеркнуть, что при работе с аморфными припоями особые требования предъявляются к величине зазора при пайке, который не должен превышать 75 мкм (оптимально 25-50 мкм) [4], что обуславливает повышенные требования к механической обработке паяемых деталей. Соблюдение этих условий позволяет получить максимальную прочность (сравните для пары сталь-сталь, паяной припоем BNi-2, аналогом СТЕМЕТ 1301, из работы [4]: 550 МПа при зозоре 0,025 мм и 50 МПа при 0,1 мм). Это относится ко всем аморфным ленточным припоям. Входящие в состав никелевых припоев бор и кремний придают им, помимо жидкотекучести, самофлюсующие свойства, что делает их пригодными для вакуумной пайки изделий сложной формы.
Припой СТЕМЕТ 1301 (см. таблицу) применяют в настоящее время на специализированном предприятии для высокотемпературной вакуумной пайки тонкостенных корпусов приборов радиоэлектронной аппаратуры из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т толщиной 0,5-1,0 мм, обладающих высокой степенью герметичности. С использованием этого же припоя получают высокопрочных соединения тонкостенных (0,5 мм) труб из сталей 40Х и 30ХГСА с последующими закалкой и отпуском.
При высоком (до 10 мас.%) содержании в припое металлоидов (бор, кремний) малая толщина аморфной ленты обеспечивает пониженную эрозию паяемых металлов вследствие значительного снижения времени пайки. В результате обеспечивается высокое качество соединений тонкостенных деталей из коррозионно-стойких сталей и никелевых сплавов, например, при изготовлении теплообменников, решеточных и слоистых конструкций, в том числе сотовых, при создании узлов двигателей летательных аппаратов.
Технология пайки узлов двигателей с применением припоя СТЕМЕТ 1301 разработана в АО НИАТ. Этот же припой, но модифицированный марганцем (до 1%), успешно используется фирмой "Линдо" при изготовлении автомобильных нейтрализаторов выхлопных газов из фехраля. Применение тонкого (20мкм) ленточного припоя шириной 3,5-4,5 мм позволяет существенно улучшить технологию сборки нейтрализаторов, обеспечивая при этом высокое качество паяки гофрированных конструкций без предварительной подготовки поверхностей соединяемых деталей, а также сократить количество припоя, расходуемого на изделие.
Экономный расход является существенным преимуществом припоя СТЕМЕТ 1311 (см. таблицу), разработанного для пайки твердосплавного инструмента. Так, его расход при пайке стандартного проходного резца составляет 30-50 мг, а строгое соблюдение технологии обеспечивает высокую прочность соединения сталь - твердый сплав. Благодаря этим качествам припой применяют в ПО "Чепецкий механической завод" для обработки особо трудных материалов в тех технологических схемах, где количество отказов (разрушение резца при резке) должно быть сведено к минимуму. Высокая активность, однородность состава и точность геометрических размеров позволяет применять его для пайки твердосплавных пластин большой площади. В этом случае по желанию потребителя припой может быть изготовлен в виде ленты шириной до 50 мм. Эти же свойства вместе с самофлюсуемостью припоя СТЕМЕТ 1311 обуславливают его применение для изготовления многолезвийного обрабатывающего инструмента, например фрез. Вакуумная пайка позволяет спаять за один цикл большое количество изделий, обладающих одинаковыми свойствами, определяющимися в данном случае только качеством соединяемых материалов. Этот способ уже используется в ПО "Чепецкий механической завод" и в настоящее время внедряется на ряде других предприятий.
Припои на основе активных металлов – титана и циркония. Разработаны составы и технологии изготовления аморфных ленточных припоев толщиной 40-100 мкм и шириной до 20 мм для пайки титана и его сплавов, тугоплавких металлов, металлов с графитом, оксидной керамикой. Температура плавления этих припоев (СТЕМЕТ 1201, 1403, 1406, 1206) [5] ниже 840 ° С, что позволяет при необходимости паять титан при температуре ниже температуры фазового превращения (882 ° С), обеспечивая сохранение механических свойств паяемого материала. На рис. 4 приведены сравнительные данные по затеканию в клиновидный зазор припоя СТЕМЕТ 1201 в исходном аморфном и кристаллическом состояниях. Очевидно, что структурное отличие припоев одного химического состава обеспечивает и отличие в способности заполнять паяльные зазоры. Разработанная в НИИ космического приборостроения технология пайки титановых корпусов для радиоэлектронной аппаратуры с использованием припоя СТЕМЕТ 1201 позволяет улучшить габаритно-массовые характеристики (уменьшить массу на 40-45% и габаритные размеры на 25-30%) и технико-экономические показатели (снизить трудоемкость изготовления в 1,6-2 раза и повысить коэффициент использования металла от 0,2 до 0,9).
a 
b
Рис. 4. Схема сборки (a) и зависимость высоты затекания от ширины зазора (b) припоя СТЕМЕТ 1201 в вертикальный клиновидный зазор из титанового сплава ВТ1-0 (высота пластин 35 мм):
H – высота затекания; h – ширина зазора;
1 – припой; 2 - пластины ВТ1-0;
3 - основание (кварц); 4 - проставка (Mo проволока).
Этот припой применяют на Ижевском радиозаводе при пайке тонкостенных титановых корпусов радиоэлектронной аппаратуры для работы в открытом космосе, а также на одном из предприятий для производства аналогичных изделий, но с применением последних в агрессивных средах.
В НПО "Техномаш" разработали и внедрили технологии изготовления слоистых узлов из титановых сплавов для летательных аппаратов с применение припоев СТЕМЕТ 1201 и 1403. При этом механические свойства соединений увеличиваются на 10-40%, пластичность в 1,5-1,8 раза, масса узлов снижается на 30-40%.
Необычные свойства аморфных припоев позволяют в некоторых случаях найти нестандартные технические решения. Так, специалистами МИФИ и ГЦ НИИ атомных реакторов практически решена проблема соединения пары сталь Х18Н10Т - цирконий [6], которое получают пайкой с использованием аморфного ленточного припоя на основе титана СТЕМЕТ 1206. Этот припой обеспечивает надежную герметизацию и удовлетворительные механические свойства при рабочих давлении и температуре (воздух - 17 МПа, 600 oС, вода - 35 МПа, 20 oС) при герметизации выводов измерительных кабелей термопар и других элементов облучательных устройств.
Выводы.
1. Накопленный опыт по разработке и внедрению в практику аморфных припоев показывает перспективность их применения для решения разнообразных технических проблем.
2. Для расширения сферы использования АМС-припоев необходимо тесное взаимодействие разработчиков с потребителями, поскольку новизна свойств предлагаемого продукта требует корректировки, а в ряде случаев и изменения традиционных подходов к технологическому процессу пайки.
3. Перспективными в развитии технологии АМС-припоев являются следующие направления: разработка новых композиций для решения конкретных задач, возникающих у потребителей; расширение сортамента АМС-припоев путем изготовления порошковых и пастообразных припоев без потери аморфности; использование уже разработанных аморфных сплавов, обладающих высокой адгезионной и химической активностью в качестве матриц для разработки новых видов композиционных материалов с особыми свойствами; применение активных аморфных припоев для пайки различного рода керамических материалов и соединения металлов с керамикой; изготовление методом быстрого затвердевания тонких ленточных аморфных припоев из стандартных композиций для решения особо сложных технических задач.
Список литературы.
1. Irving R. Amorphous metals: new metallurgy// Iron Age. 1983. V. 266. N. 14. P. 47-52.
2. N.J. De Christofaro and A. Datta. Rapidly Solodified Filler Metals in Brazing and Soldering Apllications //Rapidly Quenched Metals 1985, pp. 1715-1721.
3. A.Rabinkin. New Application for Rapidly Solidified Brazing Foils. Welding Journal, Oct. 1989, pp. 39-46.
4. Lugscheider E., Parts K.-D. High temperature brazing of stainless steel with nickel base filler metals BNi-2, BNi-5 and BNi-7 // Welding Journal. 1983. June. P. 160s-164s.
5. B.A.Kalin, V.T.Fedotov, A.E.Grygoriev et al. Application of amorphous filler metals in production of fusion reactor high heat flux components // Fusion Engineering and Design 28 (1995) 119-124.
6.Быстрозакаленные аморфные и микрокристаллические припои для атомной энергетики. Б.А.Калин и др./ Сб.тезисов докладов 4-й Межотраслевой конференции по реакторному материаловаедению. Димитровград. 16-19 мая 1995. С. 176-177.