СПОСОБ ПАЙКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТАЛИ, МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ СЕРЕБРОСОДЕРЖАЩИМИ ПРИПОЯМИ
SOLDERING METHOD OF PRODUCTS FROM STEEL, COPPER AND COPPER ALLOYS USING SILVER-CONTAINING SOLDER ALLOYS

Предлагаемый способ относится к приборостроению и может быть использован для пайки конструктивных элементов разной сложности, в том числе тонкостенных, стальных, а также из материалов на основе меди и медных сплавов.
Известен «Способ изготовления двухслойных паяных конструкций» (RU 2169647 С1, опубл. 27.06.2001, МПК B23K 1/19) включает предварительную термическую обработку деталей из сплава на никелевой основе - закалку и старение, сборку конструкций с размещением припоя на паяемых поверхностях, пайку в защитной атмосфере и последующее охлаждение. При предварительной термической обработке закалку деталей из сплава на никелевой основе осуществляют с температуры 960±10°C, а старение - при температуре 730±10°C, пайку проводят при температуре 980±10°C, а после охлаждения спаянную конструкцию подвергают старению при температуре 730±10°C. Кроме того, предварительную термическую обработку деталей из сплава на никелевой основе осуществляют в атмосфере воздуха, в качестве припоя используют сплав на основе серебра. Причем пайку двухслойных конструкций проводят в контейнере в атмосфере инертного газа - аргона.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу пайки изделий является «Способ пайки двухслойных изделий» (RU 2104838 C1, опубл. 20.02.1998 г., МПК B23K 1/00), при котором по местам пайки каждой из деталей наносили никелевое покрытие слоем 5-10 мм. Сборку изделия осуществляли с серебряным припоем. Пайку проводили в атмосфере инертного газа аргона при температуре 925±5°C в течение 3-5 минут. После охлаждения до комнатной температуры изделие снова нагревали до 750±10°C и выдерживали в течение 40±5 мин.
Недостатками известных способов пайки являются:
- образование хрупкой прослойки интерметаллидов и как следствие низкая прочность паяного шва при механических нагрузках в агрессивных средах;
- высокая трудоемкость;
- возникновение значительной пластической деформации тонкостенных деталей, что недопустимо при изготовлении точных паяных изделий в приборостроение;
- наблюдаются значительные изменения в микроструктуре околошовной зоны.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке способа пайки изделий из стали, меди и медных сплавов серебросодержащими припоями в вакууме с оптимальным подбором режимов пайки, гальванического покрытия и промежуточного слоя. Это позволяет:
- исключить окисление металла;
- исключить изменения в структуре паяного материала;
- обеспечить необходимую прочность паяного соединения;
- минимизировать деформацию детали;
- получать соединения со стабильными прочностными характеристиками.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности работы изделий из стали, меди и медных сплавов на счет улучшения качества паяного шва, при повышенных механических нагрузках в агрессивных средах.
Сущность заявляемого способа пайки изделий из стали и/или меди или медных сплавов серебросодержащими припоями, основанный на нанесении на паяемую поверхность изделий гальванического никеля, медленный нагрев, выдержку и пайку в вакууме.
Выбранные режимы пайки, гальваническое покрытие, промежуточный слой и вакуум позволяют активировать диффузионную подвижность атомов материалов и тем самым обеспечить высокие механические свойства паяного шва. Наличие на поверхности деталей никелевого покрытия обеспечивает хорошую растекаемость припоя и плотное заполнение капиллярного зазора.
Медленный нагрев и оптимально подобранная температура пайки значительно снижает, а в некоторых случаях исключает деформацию тонкостенных деталей.
Выбор температуры обусловлен тем, что при нагревании ниже, чем в предлагаемом изобретении, не достигается диффузионная подвижность атомов, снижается смачивание, растекаемость припоя и не обеспечивается высокая прочность паяного шва. Выдержка 30-40 мин при температуре 550-800°C обеспечивает полное прохождение процесса диффузионного обмена между металлом, гальваническим покрытием, припоем и металлом, а также происходит снятие внутренних напряжений паяных деталях. При выдержке менее 30 мин диффузионные процессы не успевают обеспечить прочное паяное соединение.
При нагревании выше 950°C наблюдается вытекание припоя, резкий рост зерна металла и образование хрупких прослоек интерметаллидов.
Быстрое снижение температуры до 600°C исключает вытекание припоя из зазора, далее деталь остывает вместе с печью до комнатной температуры.
-2
-3
Новым в предлагаемом способе является то, что толщину гальванического никеля наносимого на изделия из стали, меди и медных сплавов выбирают 21-30 мкм, толщину припоя 0,05-2,5 мкм, осуществляют медленный нагрев изделий до температуры (550-800)°C при вакууме от 1·10 до 2·10 мм рт.ст. с выдержкой в течение 30-40 минут, повышают температуру до (650-950)°C, выдерживают в течение 6-10 минут, затем быстро снижают темперу до 600°C, далее деталь остывает вместе с печью до комнатной температуры.
-2
-3
Способ осуществляют следующим образом, предварительно паяемые детали покрывают никелем 21-30 мкм и производят сборку деталей, используя припои ПСр72, ПСр70, ПСр45, ПСр40 толщиной 0,05-2,5 мкм. Нанесение никелевого покрытия указанных толщин является оптимальным для полного смачивания паяемой поверхности сплава в процессе пайки. Далее осуществляют медленный нагрев деталей в вакуумной печи от 1·10 до 2·10 мм рт.ст. до (550-800)°C, выдерживая в течение 30-40 мин, затем повышают температуру до температуры пайки (659-950)°C,  выдерживая в течение 6-10 мин, затем быстро снижают температуру до 600°C, далее деталь остывает вместе с печью до комнатной температуры.
Результаты показали отсутствие пор и других дефектов в паяном соединении, высокую коррозионную стойкость, высокую прочность при вибрации в агрессивных средах.
-2
Пример 1. Паяли медные трубы квадратного сечения припоем ПСр70 толщина припоя 0,1 мкм по никелевому покрытию 24 мкм в вакуумной печи 1·10 мм рт.ст. температура предварительного подогрева 770±10°C время выдержки 35 мин. После прогрева поднимали температуру до температуры пайки 890±10°C время выдержки 10 мин, затем быстро снижали до температуры 600°C, далее деталь остывает вместе с печью до комнатной температуры.
-3
Пример 2. Паяли стальные пластины припоем ПСр72 толщина припоя 0,13 мкм по никелевому покрытию 28 мкм в вакуумной печи 2·10 мм рт.ст. температура предварительного подогрева 800±10°C время выдержки 35 мин. После прогрева поднимали температуру до температуры пайки 920±10°C время выдержки 6 мин, затем быстро снижали до температуры 600°C, далее деталь остывает вместе с печью до комнатной температуры.
-3
Пример 3. Паяли стальную пластину с медной припоем ПСр45 толщина припоя 0,05 мкм по никелевому покрытию 26 мкм в вакуумной печи 2·10 мм рт.ст. температура предварительного подогрева 720±10°C время выдержки 35 мин. После прогрева поднимали температуру до температуры пайки 780±10°C время выдержки 8 мин, затем быстро снижали до температуры 600°C, далее деталь остывает вместе с печью до комнатной температуры.
При использовании данного изобретения не нарушаются теплофизические свойства, в частности электропроводность паяного соединения, не происходит окисление металла, а также значительно увеличивается ресурс и надежность деталей спаянных этим методом.
По способу - прототипу, способу - аналогу и заявленному изобретению были изготовлены спаянные детали из стали 12Х18Н9Т припоями ПСр40, ПСр45. Результаты испытаний механических свойств деталей, при температуре 20°C, по стандартным методикам испытания, представлены в таблице.
Способы
Механические свойства при 20°C
Предел прочности на разрыв, σ<sub>в</sub> МПа
ПСр40
ПСр45
Предлагаемый
270
320
Прототип
230
258
Аналог
242
263
Таким образом, предлагаемый способ пайки обеспечивает прочное соединение, что гораздо выше по сравнению с прототипом и аналогом. В результате использования предлагаемого способа расширяется диапазон применения паяных соединений из стали и/или меди или медных сплавов, повышается их ресурс.