ПРИПОЙ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ В ВИДЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЙ ЛЕНТЫ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к пайке и сварке в атомной промышленности, в частности к разработке структуры, а также формы выпуска припоев на основе никеля. Предложенный припой применяется для пайки деталей из коррозионно-стойких сталей реакторов с жидкометаллическим теплоносителем.
Уровень техники.
Из патента RU 2041784, опубликованного 20.08.1995, известен припой для пайки изделий из спеченных твердых сплавов к основанию из инструментальной стали, содержащий никель, хром, железо, кремний, бор, отличающийся тем, что для пайки спеченных твердых сплавов со связкой на основе кобальта и/или никеля он дополнительно содержит кобальт и один или несколько компонентов, выбранных из группы молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, тантал, марганец, медь, при следующем соотношении компонентов, ат.%:
Железо
0,01-4,00
Хром
5-21
Кремний
1-19
Бор
1-16
Кобальт
1-20
Один или несколько компонентов, выбранных из группы: молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, тантал, марганец, медь - 0,01-8,00
Никель - остальное.
Сплавы для получения припоя выплавляют в индукционной вакуумной печи, а разливку расплава проводят на вращающийся барабан-холодильник. В результате разливки получают пластичную ленту припоя толщиной 25-50 мкм, имеющую в структуре аморфную фазу в количестве до 80%.
Входящий в состав данного припоя кобальт при облучении нейтронами образует долгоживущий изотоп Со60, являющийся мощным источником гамма-излучения, и поэтому не может быть использован в качестве легирующего элемента при пайке подвергающихся облучению конструкций реактора. Кроме того, соотношение компонентов данного припоя не является оптимальным с точки зрения обеспечения коррозионной стойкости паяного шва. Высокое содержание бора в припое, который активно диффундирует в прилегающие слои металла при температуре пайки, отрицательно сказывается на коррозионной и радиационной стойкости стали в условиях эксплуатации паяных деталей в атомной промышленности.
a
b
c
d
e
Наиболее близким аналогом заявленного припоя является твердый припой, предназначенный для пайки изделий из нержавеющей стали, описанный в патенте RU 2167751, опубликованном 27.05.2001, представляющий собой сплав на основе никеля, содержащий хром, железо, кремний, молибден и бор, являющийся на 80% аморфным сплавом. Состав припоя определяется формулой CrFeSiBMoNi, где %: «а» меняется от 9,5 до 16,5 ат.%, «b» меняется от 0 до 5 ат.%, «с» меняется от 10 до 15 ат.%, «d» меняется от 6 до 7 ат.%, «е» меняется от 0 до 5 ат.%, остальное составляет никель и случайные примеси. Припой выпускается в виде ленты из фольги толщиной в пределах от 20 до 90 мкм.
Высокое содержание бора в припое от 6 до 7 ат.% отрицательно сказывается на коррозионной и радиационной стойкости стали в условиях эксплуатации паяных деталей в атомной промышленности.
Полезная модель направлена на создание коррозионно-стойкого и высокопрочного припоя на основе никеля для атомной промышленности, свойства которого улучшены как за счет оптимизации состава сплава, так и за счет нанокристаллической структуры припоя.
Техническим результатом изобретения является повышение коррозионной стойкости паяного соединения деталей из нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии в условиях воздействия жидкометаллического теплоносителя.
Сущность изобретения.
Предложен припой из сплава на основе никеля, выполненный в виде ленты толщиной 25-50 мкм, шириной 10-20 мм, предназначенный для пайки коррозионно-стойких сталей, содержащий хром, железо, кремний, молибден и бор. Припой выполнен в виде ленты нанокристаллической структуры, содержащей нанокристаллы размером до 100 нм в аморфной матрице сплава при следующем соотношении компонентов в масс.%:
Хром
13-17
Железо
3-5
Кремний
5-9
Молибден
3-6
Бор
0,25-2,0
Никель - остальное.
Оптимальной формой выпуска припоя по обеспечению высокого уровня физико-химических свойств является его выпуск в виде ленты нанокристаллической структуры, содержащей нанокристаллы размером от 40 до 70 нм.
Заявленный припой предназначен для пайки деталей из коррозионностойких сталей реакторов с жидкометаллическим теплоносителем.
В оптимальном варианте припой содержит компоненты в следующем соотношении в масс.%:
Хром
15
Железо
4
Кремний
7,5
Молибден
4
Бор
1,5
Никель - остальное.
Кроме того, заявленный припой дополнительно может содержать один или несколько компонентов, выбранных из группы, включающей ванадий, вольфрам, ниобий и тантал в количестве ≤3 мас.%.
Припой дополнительно может содержать алюминий в количестве ≤1 мас.%.
Припой дополнительно может содержать модифицирующие добавки, в частности, углерод в количестве 0,01-0,1 мас.% и германий в количестве ≤0,3 мас.%.
Таким образом, оптимальным вариантом формы выпуска данного припоя является: припой на основе никеля, выполненный в виде ленты толщиной 25-50 мкм, шириной 10-20 мм, предназначенный для пайки коррозионно-стойких сталей, содержащий хром, железо, кремний, молибден, бор, алюминий, углерод, германий и один или несколько компонентов, выбранных из группы, включающей ванадий, вольфрам, ниобий и тантал, при этом припой выполнен в виде ленты из сплава нанокристаллической структуры, содержащей нанокристаллы размером до 40-70 нм при следующем соотношении компонентов в масс.%:
Хром
13-17,
Железо
3-5,
Кремний
5-9,
Молибден
3-6,
Бор
0,25-2,0,
Алюминий
≤1,
Углерод
0,01-0,1,
Германий
≤0,3,
Один или несколько компонентов, выбранных из группы, включающей: ванадий, вольфрам, ниобий и тантал в количестве ≤3,
Никель - остальное.
Полезная модель иллюстрируется примером получения припоя, его применения для пайки изделий из нержавеющих сталей и испытания на коррозионную стойкость паяного соединения.
2
Предлагаемый припой получают путем вакуумно-индукционной плавки исходных компонентов никелевого сплава, разливки его в медные изложницы, последующего индукционного переплава слитка, затем методом быстрого затвердевания расплава на установке «Кристалл-702» в атмосфере инертного газа получают ленту припоя литьем на закалочный медный диск, вращающийся со скоростью 15-30 м/с при давлении эжекции 0,2-0,7 кг/см при температуре разливки 1200-1250°С. Толщина полученной ленты 1 составляет 25-50 мкм, ширина 10-20 мм ± 2 мм (фиг.1).
-5
Пайку деталей из коррозионностойкой стали ЭП-750 и ЭИ-811 осуществляли с использованием печи СШВЭ в условиях вакуума (1÷5)×10 мм рт.ст. Нагрев по заданной программе до температуры пайки 1200-1250°С, время выдержки 10-25 мин. Охлаждение паяного изделия по заданной программе. В результате механических испытаний паяных образцов зафиксировано полуторократное повышение прочности паяного соединения по сравнению с известными припоями.
Испытания на коррозионную стойкость.
Пример 1.
Образцы сталей (0-08)Х18Н10Т спаяли припоем, в виде ленты нанокристаллической структуры из сплава на основе никеля, включающего нанокристаллы размером от 40 до 70 нм. При этом припой содержал компоненты в следующем соотношении в масс.%: хром 15, железо 4, кремний 7,5, молибден 4 бор 1,5, никель - остальное.
Паяные соединения испытывали на склонность к межкристаллитной коррозии (МКК) методом, предусматривающим выдержку в течение 8 часов в кипящем водном растворе серной кислоты с добавкой сульфата меди.
Металлографическим контролем установлено, что для образцов толщиной 1 мм глубина разрушения границ зерен в паяном шве не превышает 7 мкм, что является признаком стойкости к МКК (ГОСТ 6032-2003).
Пример 2.
Образцы сталей (0-08)Х18Н10Т, спаянные припоем виде ленты нанокристаллической структуры, включающей нанокристаллы размером до 100 нм., при содержании компонентов в сплаве (в масс.%): хром 13-17; железо 3-5; кремний 5-9; молибден 3-6; бор 0,25-2,0, никель - остальное.
Паяные соединения испытывали на коррозионную стойкость в жидком свинце. Испытания проведены в интервале температур 400-500°С, в течение 300-700 часов.
Металлографические исследования показали одинаковый характер структурных изменений, как основного металла, так и паяного шва.