СПОСОБ ПОДГОТОВКИ К ПАЙКЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ НИКЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
DEVELOPMENT METHOD FOR PARTS SOLDERING MADE OF CORROSION-RESISTANT STEELS AND NICKEL ALLOYS (VERSIONS)

Группа изобретений (варианты) относится к получению неразъемных соединений с помощью пайки металлов и может быть использована в процессах изготовления паяных изделий из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, имеющих плохую паяемость.
2
Известен способ пайки металлов, включающий обработку паяемой поверхности (наводораживание) в водородсодержащей среде, нанесение припоя и флюса и нагрев до температуры пайки с последующим охлаждением, в котором, в одном случае, в качестве водородсодержащей среды берут серную кислоту, а наводораживание осуществляют катодной поляризацией в 26%-ном растворе серной кислоты при плотности тока 2/3 мА/мм в течение 30-60 минут, а в другом случае, в качестве водородсодержащей среды берут сероводород концентрации 300-500 мг/л и выдерживают в нем 70-120 часов (см. авторское свидетельство СССР №1328100, 4МПК В23К 1/20, приоритет от 28.01.1985 г., опубликовано 07.08.1987 г.«Способ пайки металлов»).
Недостатком данного способа пайки металлов является сложный и длительный по времени технологический цикл подготовки к пайке поверхности деталей из сталей.
Известен способ контактно-реактивной пайки, включающий борирование стальной промежуточной прокладки с плохой паяемостью и нанесение на боридный слой покрытия из цинка и меди или меди и цинка с хорошей паяемостью, причем в последнем случае промежуточную прокладку подвергают гомогенизирующему отжигу при 360-380°С в течение 3-4 часов в безокислительной атмосфере (см. авторское свидетельство СССР №1234090, 4МПК В23К 1/20, приоритет от 17.01.1985 г., опубликовано 30.05.1986 г.«Способ контактно-реактивной пайки»).
С помощью известного способа контактно-реактивной пайки изготавливают биметаллический инструмент с повышенной прочностью структуры паяного шва.
Недостатком данного способа контактно-реактивной пайки является сложный и длительный по времени технологический цикл предварительной подготовки стальной промежуточной прокладки к процессу пайки.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является способ контактно-реактивной пайки деталей с плохой паяемостью, например, коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, включающий борирование, по крайней мере, одной из соединяемых поверхностей, обезжиривание борированной поверхности, удаление пленок оксидов с соединяемых поверхностей (декапирование), их промывку, сушку, нанесение химическим путем промежуточного покрытия из высокофосфористого никелевого сплава на борированный слой и нагрев под пайку, совмещенную с закалкой, причем борирование ведут в цементационной печи при 925°С с выдержкой 3 часа, нанесение покрытия из высокофосфористого никелевого сплава ведут в растворе серной кислоты, ацетата натрия, никеля сернокислого и гипофосфита натрия, который подогревают на водяной бане с температурой 80-90°С (см. патент РФ, №2042481, 6МПК В23К 1/20, приоритет от 21.04.1992 г., опубликован 27.08.1995 г. «Способ контактно-реактивной пайки сталей»).
С помощью известного способа контактно-реактивной пайки сталей изготавливают паяный режущий и штамповый инструмент, имеющий высокопрочное и пластичное паяное соединение.
Недостатком известного способа является сложный и длительный по времени технологический процесс получения промежуточного покрытия на поверхности сталей, связанный с необходимостью контроля за температурой нанесения покрытия из высокофосфористого никелевого сплава с целью исключения кипения раствора.
Техническим результатом заявляемых изобретений является упрощение процесса получения промежуточного покрытия на поверхности деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, имеющих плохую паяемость, при сохранении качества паяного соединения.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в способе подготовки к пайке деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, включающем обезжиривание соединяемых деталей, удаление с них пленок оксидов, промывку, сушку и нанесение промежуточного покрытия, согласно первому изобретению, промежуточное покрытие наносят путем погружения соединяемых деталей в расплав хлоридов металлов следующего состава, мас.%:
Хлорид меди CuCl
50-70
Хлорид калия KCl
25-40
Хлорид цинка ZnCl<sub>2</sub>
5-10,
причем нанесение промежуточного покрытия ведут при температуре 400-500°С в течение 5-15 минут.
Согласно второму изобретению в способе подготовки к пайке деталей из коррозионно-стойких сплавов и сплавов никеля, включающем обезжиривание соединяемых деталей, удаление с них пленок оксидов, промывку, сушку и нанесение промежуточного покрытия, промежуточное покрытие наносят путем погружения соединяемых деталей в расплав хлоридов металлов следующего состава, мас.%:
Хлорид олова SnCl<sub>2</sub>
85-95
Хлорид калия KCl
2,5-7,5
Хлорид цинка ZnCl<sub>2</sub>
2,5-7,5,
причем нанесение промежуточного покрытия ведут при температуре 240-440°С в течение 5-15 минут.
Нанесение промежуточного покрытия по первому и второму изобретению осуществляют в расплавах хлоридов металлов, соотношение компонентов которых лежит в защищаемых пределах, в течение достаточно короткого времени (в обоих случаях - это 5-15 минут) без трудоемкой и длительной подготовки поверхности деталей, имеющих плохую паяемость (например, борирование соединяемых поверхностей), упрощает процесс получения промежуточного покрытия на поверхности деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля.
+
+
Согласно первому изобретению группы, нанесение промежуточного покрытия на поверхность деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, которое ведут в расплаве хлоридов металлов заявляемого состава при температуре 400-500°С, позволяет благодаря проходящей химической реакции образовать на поверхности деталей с плохой паяемостью переходный слой и медный слой, причем переходный слой представляет химическое соединение, прочное сцепление которого с коррозионно-стойкими сталями и сплавами никеля осуществляется на уровне металлической связи: Me(Fe,Ni,Cr)+Cu→Ме+Cu/Me/.
В процессе нанесения промежуточного покрытия на поверхность деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, осуществляемого в малогигроскопичном и хорошо отмываемом расплаве хлоридов металлов заявляемого состава при заявляемых температурных режимах и времени, происходит реакция контактного обмена компонентов обрабатываемой поверхности коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля с ионами меди, находящимися в расплаве.
Согласно второму изобретению группы, нанесение промежуточного покрытия на поверхность деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, которое ведут в расплаве хлоридов металлов заявляемого состава при температуре 240-440°С, позволяет благодаря происходящей химической реакции образовать на поверхности деталей с плохой паяемостью переходный слой и оловянный слой, причем переходный слой представляет химическое соединение, прочное сцепление которого с коррозионно-стойкими сталями и сплавами никеля осуществляется на уровне металлической связи:
2+
2+
Me(Fe,Ni,Cr)+Sn→Ме+Sn/Me.
В процессе нанесения промежуточного покрытия на поверхность деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, осуществляемого в малогигроскопичном и хорошо отмываемом расплаве хлоридов металлов заявляемого состава при заявляемых температурных режимах и времени, происходит реакция контактного обмена компонентов обрабатываемой поверхности коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля с ионами олова, находящимися в расплаве.
Заявляемые соотношения компонентов расплава, в котором ведут нанесение промежуточного покрытия на поверхность деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, согласно первому и второму изобретениям заявляемой группы, обеспечивают, с одной стороны, травление оксидной пленки, находящейся на поверхности коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля без их коррозионного разрушения, а с другой стороны, возможность протекания реакции взаимодействия расплав - сплав.
Температуры, при которых осуществляют нанесение промежуточного покрытия на поверхность деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, согласно первому изобретению заявляемой группы, лежащие в защищаемых пределах, а именно, 400-500°С, обусловлены эффективным процессом взаимодействия расплава с поверхностью деталей из коррозионно-стойких сталей или сплавов никеля без коррозионного разрушения обрабатываемых поверхностей.
Температуры, при которых осуществляют нанесение промежуточного покрытия на поверхность деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, согласно второму изобретению заявляемой группы, лежащие в защищаемых пределах, а именно, 240-440°С, обусловлены эффективным процессом взаимодействия расплава с поверхностью деталей из коррозионно-стойких сталей или сплавов никеля без коррозионного разрушения обрабатываемых поверхностей.
Время нанесения промежуточного покрытия в расплаве хлоридов металлов в течение 5-15 минут, согласно первому изобретению заявляемой группы, обеспечивает получение переходного слоя, равного 30-40 мкм, и медного слоя, равного 4-6 мкм, достаточных для их прочного сцепления с поверхностью деталей из коррозионно-стойких сталей или сплавов никеля и последующего изготовления качественного паяного соединения.
Время нанесения промежуточного покрытия в расплаве хлоридов металлов в течение 5-15 минут, согласно второму изобретению заявляемой группы, обеспечивает получение переходного слоя, равного 30-40 мкм, и оловянного слоя, равного 4-6 мкм, достаточных для их прочного сцепления с поверхностью деталей из коррозионно-стойких сталей или сплавов никеля и последующего изготовления качественного паяного соединения.
Заявляемая группа изобретений (варианты) образует единый изобретательский замысел, так как относится к объектам одного вида, одинакового назначения и обеспечивает получение одного и того же технического результата.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемой группы изобретений (варианты), не выявлено, что позволяет сделать вывод об их соответствии такому условию патентоспособности, как «новизна».
Заявляемые существенные признаки изобретений, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой группы изобретений (варианты) такому условию патентоспособности, как «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждается примерами конкретного выполнения заявляемого способа подготовки к пайке деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля (варианты), изложенными в разделе «Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения».
Пример 1, относящийся к первому изобретению заявляемой группы.
Осуществлялась подготовка к пайке деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, одна из которых изготовлена из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т, а вторая - из сплава никеля марки Х20Н80, на которые наносилось промежуточное покрытие.
Готовились три группы образцов пластин, предназначенных для пайки.
2
3
2
3
2
В каждой группе образцов пластины, изготовленные из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т и сплава никеля марки Х20Н80, обезжиривались в растворе, содержащем едкий натрий NaOH 10%, углекислый натрий NaCO 4%, силикат натрия NaSiO 0,5%, дистиллированную воду HO 85,5% при температуре 90°С в течение 10 минут.
3
2
После обезжиривания осуществлялось удаление оксидных пленок (травление) с пластин из коррозионно-стойкой стали и сплавов никеля в растворе, содержащем азотную кислоту HNO 10%, соляную кислоту HCl 2%, сульфидированный клей 0,1%, дистиллированную воду НO 87,9%,при температуре 20°С в течение 10 минут.
Затем все пластины промывались в холодной воде при температуре 20°С в течение 1 минуты и сушились в сушильном шкафу при температуре 350°С в течение 15 минут.
На подготовленные таким образом пластины из коррозионно-стойкой стали и сплавов никеля наносилось промежуточное покрытие, для чего пластины погружались в ванну с расплавами хлоридов металлов различного состава, соотношения компонентов которых лежат в защищаемых пределах.
Нанесение промежуточного покрытия велось при температуре 480°С в течение 5 минут.
Составы расплавов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Компоненты расплава
I состав расплава (мас.%)
II состав расплава (мас.%)
III состав расплава (мас.%)
Хлорид меди CuCl
50
65
70
Хлорид калия KCl
40
30
25
Хлорид цинка ZnCl<sub>2</sub>
10
5
5
На пластинах, изготовленных из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т и сплава никеля марки Х20Н80, было получено промежуточное покрытие, имеющее толщину переходного слоя, равного 30 мкм, и толщину медного слоя, равного 4 мкм (толщины замерялись металлографическим методом).
После нанесения промежуточного покрытия пластины из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т и сплава никеля марки Х20Н80 отмывались сначала в горячей воде при температуре 80°С в течение 2 минут, а затем - в холодной воде при температуре 20°С в течение 1 минуты и сушились в сушильном шкафу при температуре 350°С в течение 10 минут.
Пластины, одна из которых изготовлена из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т, а вторая - из сплава никеля марки Х20Н80, с нанесенным на них промежуточным покрытием соединялись встык низкотемпературной пайкой паяльником с применением медно-цинкового припоя марки ПМЦ-48.
После соединения пайкой образцы соединенных пластин испытывались на разрыв с фиксацией напряжения в момент разрыва.
Полученные результаты испытаний представлены в таблице 2.
Таблица 2
Показатель прочности
Расплавы хлоридов металлов
Паяное соединение с использованием флюса (см. Справочник по пайке под редакцией Петрунина И.Е., М., «Машиностроение», 2003,с.480)
I состав расплава
II состав расплава
III состав расплава
Временное сопротивление на разрыв, σ<sub>в</sub>, МПа
382
385
380
322
Результаты испытаний на прочность паяных соединений, полученных заявляемым способом, согласно первому изобретению группы, подтверждают достижение качественных паяных соединений, показатели временного сопротивления на разрыв которых сопоставимы с аналогичными показателями, известными из уровня техники, и даже превышают их на 20-30% (см. таблицу 2).
Пример 2, относящийся ко второму изобретению заявляемой группы.
Осуществлялась подготовка к пайке деталей из коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля, одна из которых выполнена в виде трубки, изготовленной из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т, а вторая - из отрезка проволоки, изготовленной из сплава никеля марки Х20Н80, на которые наносилось промежуточное покрытие.
Готовились три группы образцов трубок и отрезков проволоки, предназначенных для пайки.
2
3
2
3
2
В каждой группе образцов трубки, изготовленные из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, и отрезки проволоки из сплава никеля марки Х20Н80 обезжиривались в растворе, содержащем едкий натрий NaOH 10%, углекислый натрий NaСО 4%, силикат натрия NaSiO 0,5%, дистиллированную воду НO 85,5%, при температуре 90°С в течение 10 минут.
3
2
После обезжиривания осуществлялось удаление оксидных пленок (травление) с трубок из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и отрезков проволоки из сплава никеля марки Х20Н80 в растворе, содержащем азотную кислоту HNO 10%, соляную кислоту HCl 2%, сульфидированный клей 0,1%, дистиллированную воду НO 87,9%, при температуре 20°С в течение 10 минут.
Затем трубки и отрезки проволоки промывались в холодной воде при температуре 20°С в течение 1 минуты и сушились в сушильном шкафу при температуре 350°С в течение 15 минут.
На подготовленные таким образом трубки из коррозионно-стойкой стали и отрезки проволоки из сплава никеля наносилось промежуточное покрытие, для чего трубки и отрезки проволоки погружались в ванну с расплавами хлоридов металлов различного состава, соотношения компонентов которых лежат в защищаемых пределах.
Нанесение промежуточного покрытия велось при температуре 380°С в течение 8 минут.
Составы расплавов представлены в таблице 3.
Таблица 3
Компоненты расплава
I состав расплава (мас.%)
II состав расплава (мас.%)
III состав расплава (мас.%)
Хлорид меди SnCl<sub>2</sub>
85
90
95
Хлорид калия KCl
7,5
5
2,5
Хлорид цинка ZnCl<sub>2</sub>
7,5
5
2,5
На трубках из коррозионно-стойких сталей марки 12Х18Н10Т и отрезках проволоки из сплава никеля марки Х20Н80, было получено промежуточное покрытие, имеющее толщину переходного слоя, равного 35 мкм, и толщину оловянного слоя, равного 6 мкм (толщины замерялись металлографическим методом).
После нанесения промежуточного покрытия трубки из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т и отрезков проволоки из сплава никеля марки Х20Н80 отмывались сначала в горячей воде при температуре 80°С в течение 2 минут, а затем - в холодной воде при температуре 20°С в течение 1 минуты и сушились в сушильном шкафу при температуре 350°С в течение 10 минут.
Трубки, изготовленные из коррозионно-стойкой стали марки 12Х18Н10Т, и отрезки проволоки, изготовленные из сплава никеля марки Х20Н80, с нанесенным на них промежуточным покрытием, соединялись внахлестку пайкой паяльником с применением оловянно-свинцового припоя марки ПОС 40.
После соединения пайкой образцы испытывались на разрыв с фиксацией напряжения среза в момент разрыва.
Полученные результаты испытаний представлены в таблице 4.
Таблица 4
Показатель прочности
Расплавы хлоридов металлов
Паяное соединение с использованием флюса (см. Справочник по пайке под редакцией Петрунина И.Е., М., «Машиностроение», 2003, с.480)
I состав расплава
II состав расплава
III состав расплава
Предел прочности на срез τ<sub>ср</sub>, МПа
26,9
27,8
26,4
21,4
Результаты испытаний на прочность паяных соединений, полученных заявляемым способом, согласно второго изобретения группы, подтверждают достижение качественных паяных соединений, показатели предела прочности на срез которого сопоставимы с аналогичными показателями, известными из уровня техники, и даже превышают их на 20-30% (см. таблицу 4).