НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ
NEW CONCEPT OF HIGH-TEMPERATURE SOLDERING

Настоящее изобретение относится к новой концепции высокотемпературной пайки, смеси, композиции и изделию. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу обеспечения паяного изделия, к паяному изделию, полученному с помощью этого способа, и к применениям.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сегодня существуют различные способы соединения для соединения вместе сплавов, имеющих высокие температуры плавления. Под высокой температурой подразумевается температура плавления выше чем 900°C. Одним общепринятым способом, который используют, является сварка. Сварка относится к способу, в котором основной материал плавится с дополнительным материалом или без него, т.е. к созданию литого изделия посредством плавления и повторного затвердевания. Другим способом соединения является высокотемпературная пайка. В процессе высокотемпературной пайки к основному материалу добавляют тугоплавкую присадку и тугоплавкая присадка плавится во время процесса при температуре выше 450°C, т.е. формируя жидкую межфазную поверхность раздела при температуре ниже, чем температура ликвидуса основного материала, подлежащего соединению. При высокотемпературной пайке жидкая межфазная поверхность раздела должна иметь хорошее смачивание и текучесть. Низкотемпературная пайка является процессом, в котором две или больше металлических детали соединяют посредством плавления и натекания присадочного металла, т.е. припоя, в соединение, причем легкоплавкий припой имеет температуру плавления ниже, чем обрабатываемое изделие. При высокотемпературной пайке присадочный металл плавится при более высокой температуре, чем легкоплавкий припой, но при этом обрабатываемое металлическое изделие не плавится. Различие между низкотемпературной пайкой и высокотемпературной пайкой основывается на температуре плавления присадочного припоя. Температура 450°C обычно используется как точка практического разграничения между низкотемпературной пайкой и высокотемпературной пайкой.
При высокотемпературной пайке тугоплавкую присадку наносят в соприкосновение с зазором или промежутком между основным материалом, подлежащим соединению. В процессе нагрева тугоплавкая присадка плавится и заполняет зазор, подлежащий соединению. В процессе высокотемпературной пайки существуют три главные стадии, причем первая стадия называется физической стадией. Физическая стадия включает в себя смачивание и растекание тугоплавкой присадки. Вторая стадия обычно происходит при заданной температуре соединения. В течение этой стадии осуществляется взаимодействие твердое тело - жидкость, которое сопровождается существенным переносом массы. Объем основного материала, который непосредственно примыкает к жидкому присадочному металлу, либо растворяется в жидком присадочном металле, либо реагирует с ним на этой стадии. Одновременно небольшое количество элементов из жидких фаз проникает в твердый основной материал. Это перераспределение компонентов в области соединения приводит к изменениям состава присадочного металла, и иногда к началу затвердевания присадочного металла. Последняя стадия, которая перекрывает вторую, характеризуется формированием конечной микроструктуры соединения и продолжается во время затвердевания и охлаждения соединения.
Способом, тесно связанным со сваркой и высокотемпературной пайкой, является диффузионная высокотемпературная пайка (DFB), также называемая соединением в исчезающей жидкой фазе (TLP) или активированным диффузионным соединением (ADB). Иногда упоминается диффузионное соединение, но диффузионное соединение относится к диффузионной высокотемпературной пайке или к диффузионной сварке, и теперь диффузионное соединение рассматривается как нестандартный термин.
Диффузионная высокотемпературная пайка (DFB), соединение в исчезающей жидкой фазе (TLP) или активированное диффузионное соединение (ADB) является процессом, который сращивает или соединяет металлы путем их нагрева до подходящей температуры высокотемпературной пайки, при которой либо предварительно размещенный присадочный металл будет плавиться или перетекать под влиянием капиллярного эффекта, либо жидкая фаза будет формироваться на месте между двумя поверхностями, находящимися в соприкосновении друг с другом. В любом случае присадочный металл диффундирует в основной материал до тех пор, пока физические и механические свойства соединения не станут почти идентичными свойствам основного металла. Два критических аспекта DFB, TLP или ADB являются такими:
- жидкость должна быть образована и стать активной в области соединения; и
- должна произойти обширная диффузия элементов присадочного металла в основной материал.
Способы получения соединения, похожего или такого же, как соединение, получаемое при использовании DFB, TLP или ADB, но имеющего преимущество высокотемпературной пайки, например, имеющего возможность запаивать большие зазоры и т.д., посредством применения технологии высокотемпературной пайки и тугоплавких присадок раскрыты в WO 2002/38327, WO 2008/060225 и WO 2008/060226. При применении тугоплавкой присадки, т.е. тугоплавкого припоя, с составом, близким к основному материалу, но с добавленными понижающими температуру плавления компонентами, например, кремнием и/или бором, и/или фосфором. При этом паяное соединение будет иметь состав, близкий к основному материалу после высокотемпературной пайки, поскольку тугоплавкая присадка имела состав, подобный основному материалу, при этом тугоплавкая присадка смешивается с основным материалом благодаря растворению основного материала, и понижающие температуру плавления компоненты диффундируют в основной материал.
Существует множество причин для выбора определенного способа соединения, такие как стоимость, производительность, безопасность, скорость и свойства соединенного изделия. Родственные Е-модули будут уменьшать риск высоких напряжений в материале с более высоким Е-модулем, когда материал нагружается. При похожем коэффициенте теплового расширения результатом будет уменьшение термически индуцированных напряжений. При похожем электрохимическом потенциале результатом будет уменьшение риска коррозии.
Использование присадок, т.е. сплавов, при соединении основных металлов является сложным процессом. Присадка должна находиться в форме, которая могла бы быть нанесена на основной металл перед нагревом. Обычно присадки представляют собой частицы, соответственно произведенные сверхтонким измельчением, но присадки также могут быть в форме фольги, произведенной "формованием из расплава", т.е. быстрого затвердевания (RS). Что касается RS, то с его помощью можно произвести лишь ограниченное число составов. Число составов, которые могут быть изготовлены в виде частиц, т.е. порошка, значительнее, и обычным способом производства порошков является сверхтонкое измельчение. Когда присадки находятся в форме порошков, тогда их часто комбинируют со связующими для образования пасты, которая может быть нанесена на основной металл любым подходящим образом. Производство фольги или производство порошков для сплавов являются сложными процессами, и, следовательно, дороги. Когда используют порошки, порошки наносят в подходящей форме пасты, как упомянуто выше, это добавит дополнительный этап в процесс, поскольку паста должна быть смешена со связующими и другими компонентами, которые являются практически значимыми для свойств пасты. В обоих процессах выполняют большой объем работы для получения правильной формы, свойств, внешнего вида и состава присадки перед плавлением и соединением.
ИЗОБРЕТЕНИЕ
Целью изобретения является уменьшение количества этапов процесса соединения подложек из основных материалов. Другой целью является упрощение соединения основных материалов и, таким образом, уменьшение затрат.
Если это возможно, при выборе тугоплавких присадок выгодным является состав, близкий к основному материалу, поскольку основной материал выбран для целей назначения изделия. Если бы это было возможно, и затраты являлись бы неограниченными, лучше всего было бы разработать по одной тугоплавкой присадке для каждого основного материала. Следовательно, другой целью изобретения является сокращение необходимого числа тугоплавких присадок.
Соответственно, настоящее изобретение предлагает решение технических проблем и целей с помощью новой изобретательской концепции высокотемпературной пайки. Первый аспект относится к смеси по меньшей мере одного источника бора и по меньшей мере одного источника кремния, причем смесь включает в себя бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 3:100 масс./масс. до примерно 100:3 масс./масс., предпочтительно в диапазоне от примерно 5:100 мас./мас. до примерно 2:1 мас./мас., более предпочтительно от примерно 5:100 мас./мас. до примерно 1:1 мас./мас., при этом кремний и бор присутствуют в смеси в концентрации по меньшей мере 25 мас.%, предпочтительно кремний и бор присутствуют в смеси в концентрации по меньшей мере 35 мас.%. По меньшей мере один источник бора и по меньшей мере один источник кремния являются бескислородными за исключением неизбежных количеств загрязняющего кислорода, и при этом смесь является механической смесью порошков, а частицы в порошках могут иметь средний размер частиц менее чем 250 мкм, предпочтительно частицы в порошках имеют средний размер частиц менее чем 160 мкм, и более предпочтительно частицы имеют средний размер частиц менее чем 100 мкм.
Смесь по настоящему изобретению является выгодной в том, что она обеспечивает возможности получать соединения между подложками. Полученные соединения состоят из материала, подобного материалу(ам) подложек, за исключением того, что соединения содержат дополнительные количества элементов смеси. Путем обеспечения формирования соединений материала в подложках в соответствии с новой концепцией высокотемпературной пайки, можно избежать или по меньшей мере снизить риски коррозии, поскольку будет меньше различий между материалом в соединениях и в подложке по сравнению с тем, когда используются коммерческие материалы для высокотемпературной пайки.
Подложки относятся к деталям получаемого изделия, при этом данные детали могут быть, например, но не ограничиваются этим, толстыми деталями, такими как сепараторы или отстойники и т.д., либо тонкими деталями, такими как пластины или рулоны. Подложками могут быть любые детали, которые должны быть соединены или на которые следует нанести покрытие. Подложки также могут быть заготовками. Подложки состоят из основных материалов, т.е. из материала, подлежащего высокотемпературной пайке. Основные материалы относятся к основным металлам или основным сплавам, причем упомянутые основной металл или основные сплавы подходят для высокотемпературной пайки. Примеры основных материалов могут быть найдены в таблице 1, при этом изобретение не ограничивается примерами в таблице 1.
Основной материал может быть сплавом, включающим в себя элементы, такие как железо (Fe), хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo), марганец (Mn), медь (Cu), кобальт (Co) и т.д. Примеры таких сплавов находятся в списке таблицы 1, причем основные материалы не ограничиваются этим списком, а являются лишь примерами возможных основных материалов.
Таблица 1
Основные материалы
Приблизительная температура солидуса [°C]
Приблизительная температура ликвидуса [°C]
Никель 200/201
1435
1445
Nicrofer 5923hMo
1310
1360
Сплав Hastelloy C-2000
1328
1358
Hastelloy B3
1370
1418
Сплав C22
1357
1399
Inconel 625
1290
1350
Сплав C 276
1325
1370
Nicrofer 3033
1330
1370
Nicrofer 3127HMo
1350
1370
AL6XN
1320
1400
254SMO
1325
1400
Монель 400
1299
1348
Низкоуглеродистая сталь
1505
1535
Нержавеющая сталь типа 316
1390
1440
Нержавеющая сталь типа 304
1399
1421
Основной материал относится к металлу или сплаву. Сплав определяется как однородное объединение или соединение двух или более элементов, причем сплав обладает выраженными показателями всех или большинства тех характеристик, которые обычно описываются как металлические. Сплавы являются соединениями, а не только смесями. Металл относится к элементу, который имеет металлические свойства.
Соединения являются комбинациями двух или более элементов. Стекло, сталь, окись железа являются соединениями, в которых каждый атом притягивается всеми смежными атомами так, что образуется однородное или почти однородное твердое тело, причем такие тела очевидно не являются только механическими смесями, химическими соединениями переменного или неопределенного состава, такими как силикаты и полимеры, которые химически соединяются, но являются соединением переменных составов.
Без привязки к какой-либо конкретной теории, изобретатели полагают, что присутствие бора обеспечивает смачиваемость и понижение температуры плавления, а кремний обеспечивает понижение температуры плавления.
Источник бора относится к элементарному бору (B), сплаву или соединению, содержащему бор.
Источник кремния относится к элементарному кремнию (Si), сплаву или соединению, содержащему кремний.
Механическая смесь порошков относится к механическому смешиванию двух или больше компонентов. Механическая смесь порошков представляет собой частицы из различных источников, причем каждая частица является либо источником бора, либо источником кремния.
Загрязняющий кислород относится к неизбежным количествам кислорода, которые содержатся, например, в технических сортах и т.д. источника кремния или источника бора, и это количество может составлять вплоть до 5 мас.% кислорода в источнике бора и вплоть до 5 мас.% кислорода в источнике кремния. Загрязняющий кислород может составлять вплоть до 10 мас.%.
Количество кремния и бора в смеси зависит от чистоты кремния и бора, а также от типа источника кремния или источника бора, которые содержатся в смеси. Например, если источником кремния является ферросилиций (Fe-Si), железо является тяжелым, и количество кремния и бора будет ниже. В таблице 2 приведено несколько примеров.
Таблица 2
Смесь
B или Si
B<sub>4</sub>C, Fe-B, Fe-Si, Ni-B
Si
B
Общая масса
Масса B+Si
Количество B+Si[мас.%]
Si/B<sub>4</sub>C
10,0
2,6
2,0
12,6
12,0
95,2
Si/Fe-B
10,1
12,5
2,0
22,6
12,1
53,5
B/Fe-Si
2,0
30,2
10,1
32,6
12,1
37,6
Si/Ni-B
10,1
13,0
2,0
23,1
12,1
52,4
В соответствии с одним примером смесь по меньшей мере одного источника бора и по меньшей мере одного источника кремния включает в себя бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 5:100 до примерно 2:1, предпочтительно от примерно 5:100 до примерно 1:1, причем кремний и бор присутствуют в смеси в концентрации по меньшей мере 50 мас.%, предпочтительно кремний и бор присутствуют в смеси в концентрации по меньшей мере 60 мас.%, более предпочтительно кремний и бор присутствуют в смеси в концентрации по меньшей мере 70 мас.%, наиболее предпочтительно кремний и бор присутствуют в смеси в концентрации по меньшей мере 80 мас.%, и причем по меньшей мере один источник бора и по меньшей мере один источник кремния являются бескислородными за исключением неизбежных количеств загрязняющего кислорода, и причем смесь является механической смесью порошков, а частицы в порошках имеют средний размер частиц менее чем 160 мкм.
Одним преимуществом размера частиц менее чем 250 мкм является способность распределять смесь на подложке настолько равномерно, насколько это возможно.
Одно преимущество массового соотношения бора и кремния в диапазоне от примерно 5:100 до примерно 2:1 состоит в том, что полученный тугоплавкий припой будет иметь хорошую смачиваемость и, таким образом, хорошую текучесть. Хорошая текучесть является преимуществом при высокотемпературной пайке соединений, потому что полученный тугоплавкий припой будет вытекать из тех областей, где получается тугоплавкий припой, и перетекать в область соединения.
В соответствии с другим примером имеется смесь по меньшей мере одного источника бора и по меньшей мере одного источника кремния, при этом смесь включает в себя бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 1:10 до примерно 7:10, причем кремний и бор присутствуют в смеси в концентрации по меньшей мере 25 мас.%, предпочтительно кремний и бор присутствуют в смеси в концентрации по меньшей мере 35 мас.%. Упомянутый по меньшей мере один источник бора и упомянутый по меньшей мере один источник кремния являются бескислородными за исключением неизбежных количеств загрязняющего кислорода, и причем смесь является механической смесью порошков, а частицы в порошках имеют средний размер частиц менее чем 160 мкм, предпочтительно менее чем 100 мкм.
В соответствии с другим примером имеется смесь по меньшей мере одного источника бора и по меньшей мере одного источника кремния, при этом смесь включает в себя бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 15:100 до примерно 4:10, причем кремний и бор присутствуют в смеси в концентрации по меньшей мере 25 мас.%, предпочтительно кремний и бор присутствуют в смеси в концентрации по меньшей мере 35 мас.%. Упомянутый по меньшей мере один источник бора и упомянутый по меньшей мере один источник кремния являются бескислородными за исключением неизбежных количеств загрязняющего кислорода, и причем смесь является механической смесью порошков, а частицы в порошках имеют размер частиц менее чем 160 мкм, предпочтительно менее чем 100 мкм.
В соответствии с другим примером имеется смесь по меньшей мере одного источника бора и по меньшей мере одного источника кремния, при этом смесь включает в себя бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 3:100 до примерно 100:3, предпочтительно в диапазоне от примерно 5:100 до примерно 1:1, причем кремний и бор присутствуют в смеси в диапазоне от примерно 40 мас.% до примерно 100 мас.%, предпочтительно кремний и бор присутствуют в смеси в диапазоне от примерно 45 мас.% до примерно 100 мас.%. Упомянутый по меньшей мере один источник бора и упомянутый по меньшей мере один источник кремния являются бескислородными за исключением неизбежных количеств загрязняющего кислорода, и причем смесь является механической смесью порошков, а частицы в порошках имеют средний размер частиц менее чем 160 мкм, предпочтительно менее чем 100 мкм.
В соответствии с одним примером имеется смесь по меньшей мере одного источника бора и по меньшей мере одного источника кремния, при этом смесь включает в себя бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 1:10 до примерно 7:10, причем кремний и бор присутствуют в смеси в диапазоне от примерно 40 мас.% до примерно 100 мас.%, предпочтительно кремний и бор присутствуют в смеси в диапазоне от примерно 45 мас.% до примерно 100 мас.%. Упомянутый по меньшей мере один источник бора и упомянутый по меньшей мере один источник кремния являются бескислородными за исключением неизбежных количеств загрязняющего кислорода, и причем смесь является механической смесью порошков, а частицы в порошках имеют средний размер частиц менее чем 160 мкм, предпочтительно менее чем 100 мкм, более предпочтительно менее чем 50 мкм.
В соответствии с другим примером имеется смесь по меньшей мере одного источника бора и по меньшей мере одного источника кремния, при этом смесь включает в себя бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 15:100 до примерно 4:10, причем кремний и бор присутствуют в смеси в диапазоне от примерно 40 мас.% до примерно 100 мас.%, предпочтительно в диапазоне от примерно 45 мас.% до примерно 100 мас.%. Упомянутый по меньшей мере один источник бора и упомянутый по меньшей мере один источник кремния являются бескислородными за исключением неизбежных количеств загрязняющего кислорода, и причем смесь является механической смесью порошков, а частицы в порошках имеют средний размер частиц менее чем 160 мкм, предпочтительно менее чем 100 мкм, более предпочтительно менее чем 50 мкм.
В соответствии с одним примером имеется смесь бора и кремния, при этом смесь включает в себя бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 1:10 до примерно 7:10, причем кремний и бор присутствуют в смеси в диапазоне от примерно 40 мас.% до примерно 100 мас.%, предпочтительно в диапазоне от примерно 45 мас.% до примерно 100 мас.%. Упомянутый по меньшей мере один источник бора и упомянутый по меньшей мере один источник кремния являются бескислородными за исключением неизбежных количеств загрязняющего кислорода, и причем смесь является механической смесью порошков, а частицы в порошках имеют средний размер частиц менее чем 160 мкм, предпочтительно менее чем 100 мкм, более предпочтительно менее чем 50 мкм.
В соответствии с одним примером упомянутый по меньшей мере один источник кремния может быть выбран из группы, состоящей из элементарного кремния (Si), сплава или соединения, содержащего кремний. Источник кремния может быть чистым или техническим сортом.
В соответствии с другим примером упомянутый по меньшей мере один источник бора может быть выбран из группы, состоящей из элементарного бора (B), сплава или соединения, содержащего бор. Источник бора может быть чистым или техническим сортом.
В соответствии с другим примером упомянутый по меньшей мере один источник бора может быть выбран, но не ограничен этим, из группы, состоящей из элементарного бора, карбидов бора, боридов никеля или боридов кремния. Упомянутый по меньшей мере один источник кремния может быть выбран, но не ограничен этим, из группы, состоящей из элементарного кремния, ферросилиция, кремнистого железа, карбидов кремния или боридов кремния.
4
4
3
4
3
В соответствии с другим примером упомянутый по меньшей мере один источник бора может быть выбран из элементарного бора, BC, BSi, BSi, NiB и FeB, а упомянутый по меньшей мере один источник кремния может быть выбран из элементарного кремния, FeSi, SiC и BSi, BSi.
В соответствии с одним примером смесь может быть механической смесью порошков. Смесь определяется как механическое смешивание двух или более компонентов. В соответствии с первым аспектом смесь является механической смесью или механической микстурой двух или более порошков, т.е. смесью порошка "источника кремния" и порошка "источника бора".
Второй аспект относится к композиции, включающей в себя смесь согласно первому аспекту изобретения.
В соответствии с одним примером композиция может дополнительно включать в себя порошки основного материала в комбинации с любым из примеров смеси согласно первому аспекту.
Основной материал относится к металлу или сплаву, который является подходящим для высокотемпературной пайки, как упомянуто выше. Например, основной материал может включать в себя любой металл, как показано в таблице 2.
В соответствии с другим примером композиция может также включать в себя порошки основного материала, в которых основной материал присутствует в количестве менее чем 75 мас.%, рассчитанного на общую массу кремния, бора и основного материала. Такая композиция обеспечивает дополнительный основной материал при получении тугоплавкого припоя во время процесса сплавления. При высокотемпературной пайке, например, тонких деталей или тонких пластин дополнительный основной материал может снижать или уменьшать риск прогорания пластин или деталей, как видно из экспериментальных примеров ниже.
В соответствии с другим примером композиция дополнительно включает в себя порошки тугоплавкого припоя.
Тугоплавкий припой относится к основному материалу, который сплавляется с понижающими температуру плавления компонентами, и, таким образом, обладает более низкой температурой плавления, чем основной материал.
В соответствии с дополнительным примером композиция дополнительно включает в себя по меньшей мере одно связующее, выбранное из растворителей, воды, масел, гелей, лаков, олифы, полимеров, воска или их комбинаций.
В качестве примера, связующее может быть выбрано из сложных полиэфиров, полиэтиленов, полипропиленов, акриловых полимеров, (мет)акриловых полимеров, поливиниловых спиртов, поливинилацетатов, полистиролов, восков.
В соответствии с дополнительным примером связующее может быть сложным полиэфиром, воском или их комбинациями.
В соответствии с дополнительным примером композиция является краской или композиция является пастой, или композиция является дисперсией.
В соответствии с дополнительным примером связующее является гелем, а композиция является пастой.
Если композиция является пастой, одно преимущество состоит в том, что паста может быть легко нанесена на выбранные области на подложке.
В соответствии с дополнительным примером связующее является лаком или олифой, а композиция является краской.
Одно преимущество композиции, являющейся краской, состоит в том, что краска может быть легко распределена по поверхности подложки и прилипает к поверхности, и поэтому может удерживаться, например, при транспортировке, штамповании, резке и т.д.
В соответствии с дополнительным примером связующее выбирается из сложных полиэфиров, полиэтиленов, полипропиленов, акриловых полимеров, (мет)акриловых полимеров, поливиниловых спиртов, поливинилацетатов, полистиролов, восков или их комбинаций, а композиция является краской или композиция является пастой.
В соответствии с дополнительным примером связующее выбирается из сложных полиэфиров, полиэтиленов, полипропиленов, акриловых полимеров, (мет)акриловых полимеров, поливиниловых спиртов, поливинилацетатов, полистиролов, восков или их комбинаций, а композиция является краской.
В соответствии с дополнительным примером связующее выбирается из сложных полиэфиров, полиэтиленов, полипропиленов, акриловых полимеров, (мет)акриловых полимеров, поливиниловых спиртов, поливинилацетатов, полистиролов, восков или их комбинаций, а композиция является пастой.
В соответствии с дополнительным примером смесь диспергируется в связующем.
В соответствии с дополнительным примером композиция является дисперсией.
Если композиция является дисперсией, одно преимущество состоит в том, что связующее может легко быть выпарено после нанесения дисперсии на поверхность подложки. Другим преимуществом является меньшее количество дополнительного углерода, включаемого в тугоплавкий припой.
Третий аспект относится также к изделию, в котором композиция согласно примерам второго аспекта может быть нанесена на подложку. Подложка может быть основным материалом.
Основной материал может быть металлом или сплавом, при этом упомянутые основные материалы подходят для высокотемпературной пайки, как упоминалось ранее. Сплав определяется как однородное объединение или соединение двух или более элементов, причем сплав обладает выраженными показателями всех или большинства тех характеристик, которые обычно описываются как металлические. Сплавы являются соединениями, а не только смесями. Бор классифицируется как металлоид, и не является металлом. Кремний является четырехвалентным металлоидом, и не является металлом. Кремний и бор могут быть сплавами, когда они находятся в соединении вместе с металлическим элементом.
Подложка представляет собой детали получаемого изделия, детали могут быть, например, но не ограничены этим, толстыми деталями, такими как детали сепараторов или детали отстойников и т.д., либо тонкими деталями, такими как пластины или рулоны, т.е. упомянутая подложка может быть любыми деталями, которые должны быть соединены или на которые следует нанести покрытие. Подложки также могут быть заготовками.
В соответствии с одним примером, изделие включает в себя подложку из основного материала, имеющего температуру солидуса выше 1100°C, и изделие включает в себя также композицию согласно любому из примеров в соответствии со вторым аспектом, причем по меньшей мере часть подложки имеет поверхностный слой композиции.
Новая концепция высокотемпературной пайки обеспечивает, например, соединения, которые получают с помощью тугоплавкого припоя, причем тугоплавкий припой формируется в процессе плавления основного материала и смеси бора и кремния. Тугоплавкий припой в расплавленной форме транспортируется под действием капиллярных сил в область соединения, главным образом, из соседних областей. Температура для концепции высокотемпературной пайки составляет выше 900°C, т.е. выше точки разграничения между низкотемпературной пайкой и высокотемпературной пайкой. Сформированный тугоплавкий припой представляет собой сплав, который, кроме элементов основного материала, имеет элементы, понижающие температуру ликвидуса. Следовательно, тугоплавкий припой имеет температуру ликвидуса ниже, чем у основного материала.
2
2
2
2
В соответствии с одним примером композицию наносят на подложку, и среднее общее количество нанесенного кремния и бора наносится в среднем количестве менее чем 1 мг/мм, предпочтительно в диапазоне от 0,01 до 1 мг/мм, более предпочтительно в диапазоне от 0,02 до 0,8 мг/мм, наиболее предпочтительно в диапазоне от 0,03 до 0,07 мм/мм.
2
В соответствии с другим примером среднее общее количество нанесенного кремния и бора наносится в среднем количестве в диапазоне от 0,06 до 0,3 мг/мм, если подложка имеет толщину <1 мм.
2
В соответствии с другим примером среднее общее количество нанесенного кремния и бора наносится в среднем количестве в диапазоне от 0,06 до 1 мг/мм, если подложка имеет толщину >1 мм.
В соответствии с другим примером изделие может быть получено путем нанесения композиции, согласно любому из примеров второго аспекта, на поверхность подложки, причем упомянутая композиция может быть нанесена как краска, либо композиция может быть нанесена как паста, либо композиция может быть нанесена как дисперсия.
В соответствии с другим примером изделие, согласно любому из примеров в соответствии с третьим аспектом, может быть предназначено для высокотемпературной пайки соединений между областями соприкосновения подложек, либо изделие может быть предназначено для покрытия подложек, либо изделие может быть предназначено как для высокотемпературной пайки соединений, так и для покрытия подложек.
В соответствии с другим примером основной материал изделия может быть выбран из группы, состоящей из сплавов на основе железа, сплавов на основе никеля, сплавов на основе хрома, сплавов на основе меди и сплавов на основе кобальта.
В соответствии с одним примером основной материал может включать в себя от примерно 15 до примерно 22 мас.% хрома, от примерно 8 до примерно 22 мас.% никеля, от примерно 0 до примерно 3 мас.% марганца, от примерно 0 до примерно 1,5 мас.% кремния, необязательно от примерно 1 до примерно 8 мас.% молибдена, а остальное - железо, все процентные доли являются массовым процентом.
В соответствии с другим примером основной материал может включать в себя от примерно 15 до примерно 22 мас.% хрома, от примерно 8 до примерно 22 мас.% никеля, от примерно 0,2 до примерно 3 мас.% марганца, от примерно 0,1 до примерно 1,5 мас.% кремния, необязательно от примерно 1 до примерно 8 мас.% молибдена, а остальное - железо, все процентные доли являются массовым процентом.
В соответствии с другим примером основной материал может включить в себя от примерно 15 до примерно 22 мас.% хрома, от примерно 8 до примерно 22 мас.% никеля, от примерно 1 до примерно 3 мас.% марганца, от примерно 0,5 до примерно 1,5 мас.% кремния, необязательно от примерно 1 до примерно 8 мас.% молибдена, а остальное - железо, все процентные доли являются массовым процентом.
В соответствии с другим примером основной материал может включать в себя более чем 80 мас.% Ni.
В соответствии с другим примером основной материал может включать в себя более чем 50 мас.% Fe, менее чем 13 мас.% Cr, менее чем 1 мас.% Mo, менее чем 1 мас.% Ni и менее чем 3 мас.% Mn.
В соответствии с другим примером основной материал может включать в себя более чем 10 мас.% Cr и более чем 60 мас.% Ni.
В соответствии с другим примером основной материал может включать в себя более чем 15 мас.% Cr, более чем 10 мас.% Mo и более чем 50 мас.% Ni.
В соответствии с другим примером основной материал может включать в себя более чем 10 мас.% Fe, от 0,1 до 30 мас.% Mo, от 0,1 до 30 мас.% Ni и более чем 50 мас.% Co.
В соответствии с другим примером третьего аспекта поверхностный слой материала может быть обеспечен на по меньшей мере одной стороне подложки, либо поверхностный слой материала обеспечивают на обеих сторонах подложки.
В соответствии с другим примером третьего аспекта подложки могут быть рулонами, пластинами и деталями изделий.
В соответствии с другим примером третьего аспекта подложки могут быть разрезаны, отформованы, отштампованы или подвергнуты комбинациям этих обработок. В соответствии с другим примером подложки могут быть теплообменными пластинами или пластинами реактора, или деталями сепараторов, или деталями отстойников, или деталями клапанов и т.д.
В зависимости от того, какие основные материалы используются, существуют различные предпочтительные основные материалы, имеющие различную температуру солидуса, т.е. ту температурную точку, при которой материал затвердевает. В соответствии с данным изобретением температура солидуса основного материала может быть выше 1100°C. В соответствии с одной альтернативой данного изобретения температура солидуса основного материала может быть выше 1220°C. В соответствии с другой альтернативой данного изобретения температура солидуса основного материала может быть выше 1250°C. В соответствии с дополнительной альтернативой данного изобретения температура солидуса основного материала может быть выше 1300°C.
Поверхностный слой может быть нанесен в виде порошка смеси, либо с помощью таких средств, как физическое осаждение из паровой фазы (PVD) или химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) представляет собой разнообразие осаждений в вакууме и является общим термином, используемым для описания любого из разнообразия способов осаждения тонких пленок путем конденсации испаренной формы желаемого материала пленки на различные поверхности заготовок, например, на полупроводниковые пластины. Этот способ нанесения покрытий включает в себя чисто физические процессы, такие как высокотемпературное вакуумное испарение с последующей конденсацией или бомбардировку распыленной плазмой, а не осуществление химической реакции на поверхности, которую следует покрыть, как при химическом осаждении из паровой фазы. Химическое осаждением из паровой фазы (CVD) является химическим процессом, используемым для производства твердых материалов высокой чистоты с высокими рабочими характеристиками. Этот процесс используется, например, в полупроводниковой промышленности для производства тонких пленок. В обычном процессе CVD полупроводниковая пластинка, т.е. подложка, подвергается воздействию одного или более летучих прекурсоров, которые реагируют и/или разлагаются на поверхности подложки, производя желаемое осажденное вещество. Зачастую также образуются летучие побочные продукты, которые удаляют посредством газового потока через реакционную камеру.
Четвертый аспект относится к покрытому слоем тугоплавкого припоя изделию, включающему в себя слой тугоплавкого припоя и подложку, при этом данное покрытое слоем тугоплавкого припоя изделие получается путем нагрева изделия согласно любому из примеров третьего аспекта, и при этом слой тугоплавкого припоя имеет температуру плавления ниже, чем температура плавления подложки.
Другой пример относится к покрытому слоем тугоплавкого припоя изделию, при этом упомянутое покрытое слоем тугоплавкого припоя изделие может включать в себя композицию согласно любому из примеров второго аспекта, при этом упомянутая композиция включает в себя смесь, причем слой тугоплавкого припоя получен на поверхности подложки сплавлением смеси с элементами на поверхности подложки и нагревом подложки и композиции до температуры выше, чем температура солидуса полученного тугоплавкого припоя, и при этом полученный тугоплавкий припой может иметь температуру плавления ниже, чем температура плавления подложки.
В соответствии с одним примером покрытого слоем тугоплавкого припоя изделия подложки могут быть подвергнуты резке, формованию, штампованию или их комбинациям перед нанесением поверхностного слоя композиции, либо при этом подложки могут быть подвергнуты резке, формованию, штампованию или их комбинациям после нанесения поверхностного слоя композиции, либо при этом подложки могут быть подвергнуты резке, формованию, штампованию или их комбинациям после получения тугоплавкого припоя на поверхности основного металла.
Покрытое слоем тугоплавкого припоя изделие может быть получено посредством предварительной высокотемпературной пайки таким путем, что основной материал и поверхностный слой могут быть нагреты до температуры выше, чем температура солидуса полученного тугоплавкого припоя в тугоплавком слое, и ниже, чем температура солидуса основного материала. На этапе предварительной высокотемпературной пайки на основном материале получают слой тугоплавкого припоя. Тугоплавкий припой в поверхностном слое может включать в себя смесь согласно первому аспекту и элементы основного материала.
В соответствии с одним примером изделия могут иметь другие формы и поверхностный слой смеси может находиться на одной стороне изделия, одиночный поверхностный слой, или на двух сторонах изделия, двойной поверхностный слой, или смесь может находиться на нескольких сторонах изделия. Изделие может быть подвергнуто резке, формованию, штампованию или их комбинациям до нанесения поверхностного слоя, после нанесения поверхностного слоя, или после этапа предварительной высокотемпературной пайки.
Пятый аспект относится к способу обеспечения изделия, имеющего по меньшей мере одно паяное соединение между областями соприкосновения подложек, причем способ содержит:
Этап (i) нанесения по меньшей мере одного источника кремния и по меньшей мере одного источника бора на по меньшей мере одну подложку;
Этап (ii) сборки подложек с упомянутыми нанесенными источниками с по меньшей мере одной дополнительной подложкой с нанесенным на нее источником кремния или источником бора или без них;
Этап (iii) нагрева собранных подложек до температуры высокотемпературной пайки ниже 1250°C в печи в вакууме, в инертном газе, в восстановительной атмосфере или в их комбинациях; и
Этап (iv) охлаждения собранных подложек и получения изделия, имеющего по меньшей мере одно паяное соединение между областями соприкосновения подложек.
Области соприкосновения относятся к областям, где первая подложка находится в соприкосновении со второй подложкой, и где в процессе высокотемпературной пайки будет сформировано соединение.
Сборка относится к укладке, например, пластин, но не ограничена этим, таких как теплообменные пластины. Сборка дополнительно относится к сборке деталей.
В соответствии с одним примером способ может включать в себя нанесение механической смеси по меньшей мере одного источника кремния и по меньшей мере одного источника бора.
В соответствии с одним примером способ может включать в себя то, что упомянутый по меньшей мере один источник кремния и упомянутый по меньшей мере один источник бора являются одним и тем же, предпочтительно источник бора и источник кремния являются боридами кремния.
В соответствии с одним примером способ может включать в себя то, что упомянутый по меньшей мере один источник кремния может быть нанесен на подложку как один слой, а упомянутый по меньшей мере один источник бора может быть нанесен на подложку как другой слой.
В соответствии с одним примером способ может включать в себя то, что упомянутый по меньшей мере один источник бора может быть нанесен на подложку как один первый слой, а упомянутый по меньшей мере один источник кремния может быть нанесен как второй слой поверх первого слоя на подложке.
В соответствии с одним примером способ может включать в себя то, что упомянутый по меньшей мере один источник бора может быть нанесен как один слой на первую подложку, а по меньшей мере один источник кремния может быть нанесен как один слой на вторую подложку перед сборкой этих двух подложек на этапе (ii) и обеспечением соединений между областями соприкосновения между этими двумя подложками на этапе (iii).
В соответствии с одним примером способ может включать в себя то, что упомянутый по меньшей мере один источник кремния и по меньшей мере один источник бора могут находиться в одной и той же смеси, а кремний и бор могут присутствовать в этой смеси в диапазоне от 25 мас.% до 100 мас.%, и при этом смесь является механической смесью порошков.
В соответствии с другим примером способ может содержать то, что этап (i) включает в себя нанесение композиции, содержащей смесь по меньшей мере одного источника кремния и по меньшей мере одного источника бора, причем данную композицию наносят на по меньшей мере часть одной поверхности на по меньшей мере одной подложки.
В соответствии с одним примером способ может включать в себя то, что упомянутый по меньшей мере один источник кремния и по меньшей мере один источник бора могут быть нанесены на одну или более подложки в виде смеси, при этом смесь включает в себя бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 3:100 мас./мас. до примерно 100:3 мас./мас., предпочтительно массовое соотношение бора к кремнию в диапазоне от примерно 5:100 до примерно 1:1. Более предпочтительно данная смесь может иметь массовое соотношение бора к кремнию в диапазоне от примерно 1:10 до примерно 7:10, и наиболее предпочтительно данная смесь может иметь массовое соотношение бора к кремнию в диапазоне от примерно 15:100 до примерно 4:10. Кремний и бор вместе могут присутствовать в смеси в диапазоне от примерно 25 мас.%, предпочтительно от 35 мас.%, более предпочтительные от 40 мас.% до примерно 100 мас.%, наиболее предпочтительно, чтобы кремний и бор вместе присутствовали в данной смеси в диапазоне от примерно 45 мас.% до примерно 100 мас.%.
В соответствии с дополнительным примером способ может содержать то, что этап (i) включает в себя нанесение композиции в виде краски на по меньшей мере часть одной поверхности на по меньшей мере одной подложке.
В соответствии с дополнительным примером способ может содержать то, что этап (iii) включает в себя нагрев собранных подложек, получение расплавленной фазы тугоплавкого припоя на подложке (ах) и позволение этой расплавленной фазе быть перемещенной под действием капиллярных сил к областям соприкосновения между подложками.
Расплавленная фаза может быть фазой, которая плавится и имеет температуру плавления ниже, чем у подложки, и расплавленная фаза может быть получена при сплавлении кремния и бора с элементами на поверхности подложки.
В одном примере способа согласно пятому аспекту, этап нагрева (этап (iii)) включает в себя нагрев изделия до температуры по меньшей мере 900°C, предпочтительно по меньшей мере 1000°C, более предпочтительно по меньшей мере 1040°C и наиболее предпочтительно по меньшей мере 1100°C.
В одном примере способа согласно пятому аспекту, способ включает в себя дополнительный этап перед этапом нанесения, т.е. этапом (i), причем упомянутый дополнительный этап включает в себя резку или формование, или их комбинации, подложки(ек) перед этапом нанесения.
В другом примере способа согласно пятому аспекту, способ включает в себя дополнительный этап между этапом нанесения, т.е. этапом (i), и этапом сборки, т.е. этапом (ii), причем упомянутый дополнительный этап включает в себя резку или формование, или их комбинации, изделия с этапа нанесения перед этапом сборки.
В другом примере способа согласно пятому аспекту, способ включает в себя первый дополнительный этап после этапа нанесения, причем первый дополнительный этап включает в себя нагрев изделия с этапа нанесения до температуры, предусматривающей получение слоя тугоплавкого припоя на подложке, и охлаждение полученной подложки, имеющей полученный слой тугоплавкого припоя.
В другом примере способа согласно пятому аспекту, способ включает в себя второй дополнительный этап, причем второй дополнительный этап включает в себя резку или формование, или их комбинации, упомянутой подложки, имеющей полученный слой тугоплавкого припоя.
В соответствии с одним примером способ может включать в себя то, что могут быть получены паяные теплообменные пластины или паяные пластины реактора.
В соответствии с одним примером способ может включать в себя то, что полученное паяное изделие выбирают из теплообменников, пластинчатых реакторов, деталей реакторов, деталей сепараторов, деталей отстойников, деталей насосов, деталей клапанов.
В соответствии с одним примером паяное изделие, которое может быть получено на этапе (iv), может быть обеспечено соединением(ями), полученным посредством получения тугоплавкого припоя в процессе плавления основного материала и смеси и перемещением под действием капиллярных сил тугоплавкого припоя в расплавленной форме в область соединения(ий), главным образом, из соседних областей.
В соответствии с одним примером пятого аспекта температура солидуса основного материала может быть выше 1220°C. В соответствии с другим примером температура солидуса основного материала может быть выше 1250°C. В соответствии с дополнительным примером температура солидуса основного материала может быть выше 1300°C.
В соответствии с одним примером полученное изделие может быть подвергнуто высокотемпературной пайке при температуре ниже 1250°C. В соответствии с другим примером данное изделие может быть подвергнуто высокотемпературной пайке при температуре ниже 1200°C. В соответствии с дополнительным примером данное изделие может быть подвергнуто высокотемпературной пайке при температуре выше 1100°C. В соответствии с дополнительным примером данное изделие может быть подвергнуто высокотемпературной пайке в диапазоне температур от примерно 1100°C до примерно 1250°C.
Паяное изделие, полученное способом согласно примерам пятого аспекта, может иметь соединения. Соединения данного паяного изделия получают с помощью образованного тугоплавкого припоя, причем тугоплавкий припой формируется в процессе плавления из основного металла и смеси, и затекает в соединение из соседних областей, причем элементами, найденными в тугоплавком припое, кроме элементов основного материала, являются Si, B и, необязательно, C, и при этом основной материал имеет температуру солидуса выше 1100°C.
В паяном изделии, полученном данным способом, объем сформированного тугоплавкого припоя рассчитывается по следующей формуле, см. также фигура 2:
Объем = общая площадь A × длина соединения
Общая площадь A=((X-B)/2)×((X-B)/2)×tan α
где A является общей площадью двух треугольников, X является общей шириной сформированного соединения, B является частью сформированного соединения, где объем сформированного тугоплавкого припоя в центре соединения является пренебрежимо малым, а высота треугольников рассчитывается измерением угла α, который является углом между касательной к штампованной балке и основанием.
Шестой аспект относится к способу обеспечения изделия в соответствии с любым из примеров третьего аспекта, причем способ включает в себя следующие этапы:
Этап (i) нанесения композиции в соответствии с любым из примеров второго аспекта на по меньшей мере часть по меньшей мере одной поверхности на по меньшей мере одной подложки;
Этап (ii) получения изделия, в котором композиция наносится на по меньшей мере часть поверхности на по меньшей мере одной подложки.
Седьмой аспект относится к способу обеспечения изделия с нанесенным на него слоем тугоплавкого припоя, причем способ включает в себя следующие этапы:
Этап (i) нанесения композиции в соответствии с любым из примеров второго аспекта на одну или более подложек и получения первого промежуточного изделия; и
Этап (ii) нагрева изделия с этапа (i) до температуры выше, чем температура солидуса полученного тугоплавкого припоя, и ниже, чем температура солидуса подложки, и получения расплавленной фазы тугоплавкого припоя; и
Этап (iii) охлаждения нагретого изделия с этапа (ii), и получения изделия с нанесенным на него слоем тугоплавкого припоя, при этом данное изделие имеет слой тугоплавкого припоя на поверхности подложки.
В соответствии с другим примером способ для обеспечения изделия с нанесенным на него слоем тугоплавкого припоя включает в себя:
Этап (i) нанесения композиции в соответствии с любым из примеров второго аспекта на одну или более подложки;
Этап (ii) нагрева подложки с нанесенным покрытием, полученной на этапе нанесения, до температуры выше, чем температура солидуса полученного тугоплавкого припоя, и ниже, чем температура солидуса подложки, и получения слоя расплавленной фазы тугоплавкого припоя; и
Этап (iii) охлаждения подложки, имеющей расплавленную фазу тугоплавкого припоя, и получения изделия с нанесенным на него слоем тугоплавкого припоя.
Восьмой аспект относится к паяному изделию, полученному способом в соответствии с любым из примеров пятого аспекта.
Девятый аспект относится к применению смеси в соответствии с любым из примеров первого аспекта, причем упомянутая смесь используется в качестве понижающих температуру плавления компонентов для обеспечения тугоплавкого припоя на поверхности подложки.
Десятый аспект относится к применению композиции в соответствии с любым из примеров второго аспекта для высокотемпературной пайки деталей или пластин теплообменников, пластин реакторов, деталей реакторов, деталей сепараторов, деталей отстойников, деталей насосов, деталей клапанов.
Одиннадцатый аспект относится к применению композиции для высокотемпературной пайки деталей или пластин для теплообменников, пластин реакторов, деталей реакторов, деталей сепараторов, деталей отстойников, деталей насосов, деталей клапанов, причем данная композиция представляет собой краску.
Примерами изделий, имеющих паяные соединения в соответствии с изобретением, являются детали или пластины для теплообменников, пластинчатых реакторов, детали реакторов, детали сепараторов, детали отстойников, детали насосов, детали клапанов.
Другие варианты осуществления и альтернативы определяются формулой изобретения.
В дальнейшем изобретение будет объяснено с использованием фигур 1-6. Эти рисунки представлены для цели демонстрации данного изобретения и не предназначены для ограничения его объема.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 показывает круглую штампованную пластину, используемую в примерах.
Фигура 2 показывает график "приближение".
2
Фигура 3 показывает диаграмму, на которой измеренная ширина является функцией нанесенного количества (г/3500 мм) с линиями трендов.
2
Фигура 4 показывает другую диаграмму, на которой вычисленная заполненная площадь паяного соединения основана на измеренной ширине и является функцией нанесенного количества (г/3500 мм) с линиями трендов.
2
Фигура 5 показывает другую диаграмму, на которой % образцов, исследованных на разрыв, в которых соединение было прочнее или таким же в сравнении с материалом пластины, является функцией нанесенного количества смеси (грамм на 3500 мм).
Фигура 6 показывает фотографию одного из образцов после соединения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 показывает круглую штампованную пластину, которая имеет диаметр 42 мм и толщину 0,4 мм, изготовленную из нержавеющей стали типа 316L. Штампованная пластина имела две штампованных балки V и H, каждая прибл. 20 мм длиной. Балка V или v означает левую балку, а балка H или h означает правую балку, а v и h используются в примерах 5 и 9.
Фигура 2 показывает приближение фигура 1, которая основывается на поперечном сечении паяного тестового образца. Поперечное сечение на фигуре 2 показывает штампованную балку в верхней части фигуры 2. В нижней части фигуры 2 находится плоская предварительно покрытая пластина. В капилляре между балкой и плоской поверхностью создается соединение. Для оценки количества тугоплавкого припоя, созданного в соединении, были сделаны следующие приближения и вычисления. Было вычислено, что объем в центре соединения пренебрежимо мал. Следовательно, созданный объем тугоплавкого припоя для соединений с шириной, т.е. с шириной В 1,21 мм или меньше, устанавливается равным нулю. На внешних сторонах балки, т.е. ((X-B)/2), накапливался сформированный тугоплавкий припой. Таким образом, тугоплавкий припой в расплавленной форме переносился под действием капиллярных сил в область соединения главным образом из соседних областей, формируя объемы тугоплавкого припоя, очерченные треугольниками.
В соответствии с фигурой 2 можно вычислить площадь посредством оценки того, что два треугольника формируются на каждой стороне от центра соединения. Угол в треугольнике измеряется как прибл. 2°. Общую измеренную ширину называют X, а ширину центра - B. Следовательно, общая площадь (A) этих двух треугольников равна А=2×(((X-B)/2)×((X-B)/2)×tan(α)))/2, т.е. для фигуры 2 А=2×(((X-1,21)/2)×((X-1,21)/2)×tan(28°)))/2. Общий созданный объем тугоплавкого припоя, который перетек в трещины, будет равен площади, умноженной на длину двух балок. Часть сформированного тугоплавкого припоя не затекает в трещины и остается на поверхности.
2
2
2
2
2
2
Фигура 3 показывает диаграмму, на которой измеренная ширина является функцией нанесенного количества (г/3500 мм), с линиями трендов. Результаты исследования углового шва показаны в таблицах 8 и 9 из примера 5 и на фигуре 3. Линии трендов на фигуре 3 основаны на функции Y=K×X+L. Результаты измеренной ширины и оцененных площадей иллюстрируются на диаграммах на фигуре 3. Нанесенные количества, смотри таблицы 8 и 9, составляли от 0,06 грамма/3500 мм до 0,96 грамма/3500 мм, что соответствует от прибл. 0,017 мг/мм до 0,274 мг/мм, по сравнению с прибл. 1,3-5,1 мг смеси на мм, использованном в примере 2.
Для смеси была определена линия тренда Y=K×X+L, где Y является шириной соединения, K представляет собой наклон линии, X представляет собой нанесенное количество смеси, а L является константой, смотри фигуру 3. Таким образом, ширина паяного соединения:
Y (ширина для образца A3.3)=1,554+9,922×(нанесенное количество смеси A3.3)
Y (ширина для образца B2)=0,626+10,807×(нанесенное количество смеси B2)
Y (ширина для образца C1)=0,537+8,342×(нанесенное количество смеси C1)
Y (ширина для образца F0)=0,632+7,456×(нанесенное количество смеси F0)
2
Как видно из фигуры 3, смеси A3.3 среди смесей A3.3, B2, C1, D0.5, E0.3 и F0 дают самое высокое количество тугоплавкого припоя в соединении в зависимости от нанесенного количества смеси. Образец F0 не дает никаких существенных соединений ниже 0,20 грамм на 3500 мм.
2
Фигура 4 показывает другую диаграмму, на которой вычисленная заполненная площадь паяного соединения на основе измеренной ширины является функцией нанесенного количества (грамм/3500 мм), с линиями трендов. Для смеси была определена линия тренда Y=K×X-L, где Y является площадью, K представляет собой наклон линии, X представляет собой нанесенное количество смеси, а L является константой, смотри фигуру 4.
Y (площадь для образца A3.3)=4,361×(нанесенное количество смеси A3.3)-0,161
Y (площадь для образца B2)=3,372×(нанесенное количество смеси B2)-0,318
Y (площадь для образца C1)=2,549×(нанесенное количество смеси C1)-0,321
Y (площадь для образца F0)=0,569×(нанесенное количество смеси F0)-0,093
2
Грубая оценка созданного объема основана на диаграмме на фигуре 4, например, для количества 0,18 грамм на 3500 мм, исключая образец F0 из-за "отсутствия" паяных соединений и образец D0.5 из-за слишком малого количества данных, диаграмма дает значение для образцов для созданного объема тугоплавкого припоя в соединении между двумя балками, смотри ниже:
3
Объем (A3.3)=0,63×длина 40 (20×2)=25,2 мм
3
Объем (B2)=0,30×длина 40 (20×2)=12,0 мм
3
Объем (C1)=0,12×длина 40 (20×2)=4,8 мм
3
Объем (E0.3)=0,10×длина 40 (20×2)=4,0 мм
2
Фигура 5 показывает другую диаграмму, на которой % (процент) представляет собой долю успеха в образцах, исследованных на разрыв, в которых соединение было прочнее или одинаковым с материалом пластины, при этом доля успеха является функцией нанесенного количества смеси, т.е. грамм на 3500 мм. Когда пластина была прочнее, чем соединение, что приводило к разрушению соединения, результат устанавливался равным нулю. Для образцов, в которых соединение было прочнее, чем материал пластины, различие в результатах не было статистически значимым.
Один из образцов после соединения показывают на фотографии по фигуре 6. Фотография показывает, что между двумя деталями имеется сформированное соединение. Соединенный образец взят из примера 10.
Данное изобретение объясняется более подробно посредством следующих примеров, и примеры являются пояснением изобретения и не предназначены для ограничения объема изобретения.
ПРИМЕРЫ
Исследования в этих примерах проводились для установления, способен ли кремний, Si, создать тугоплавкий припой при нанесении на поверхность тестового образца основного металла. Также добавлялось различное количество бора, B, поскольку бор может уменьшать температуру плавления тугоплавких припоев. Бор также может изменять поведение тугоплавких припоев при смачивании. Также были исследованы свойства исследуемых смесей. В примерах мас.% представляет собой массовый процент, а атом. % представляет собой процент атомов.
Если иное не установлено, тестовые образцы основного металла для всех исследований очищались в посудомоечной машине и ацетоном перед тем, как тестовым образцам добавлялись образцы смесей кремния и бора.
Пример 1: Приготовление смесей кремния и бора, предназначенных для исследований:
Тестовый образец №C1 был приготовлен смешиванием 118,0 граммов порошка кристаллического кремния с размером частиц 325 меш (78 мкм), чистотой 99,5% (металлическая основа) марки 7440-21-3 от Alfa Aesar - Johnsson Matthey Company, с 13,06 граммами порошка кристаллического бора с размером частиц 325 меш (78 мкм), чистотой 98% марки 7440-42-8 от Alfa Aesar - Johnsson Matthey Company и 77,0 граммами связующего Nicrobraz S-30 от Wall Colmonoy в Varimixer BEAR от Busch  Holm с получением 208 граммов пасты, смотри образец C1. Все тестовые образцы были изготовлены в соответствии с той же самой процедурой, что и тестовый образец C1. Смеси приведены в таблице 3.
Таблица 3
№ образца
Бор [г]
Кремний [г]
Связующее S-30 [г]
Общая масса [г]
F0
0,00
124,7
73,3
198
E0.3
4,30
123,9
72,1
200
D0.5
6,41
121,2
75,0
203
C1
13,06
118,0
77,0
208
B2
24,88
104,5
72,81
202
A3.3
11,46
22,9
19,3
54,0
Образцы G15, H100, I66 и J были приготовлены тем же самым путем, как и образцы F0, E0.3, D0.5, C1, B2 и A3.3, за исключением того, что использовалось другое связующее - Nicrobraz S-20 от Wall Colmonoy. Тестовые образцы приведены в таблице 4.
Таблица 4
№ образца
Бор [г]
Кремний [г]
Связующее S-20 [г]
Общая масса [г]
G15
0,37
2,24
3,1
5,7
H100
4,19
0
5,3
9,5
I66
1,80
2,70
5,5
10,0
J
2,03
2,02
5,0
9,0
Образцы также рассчитывают, чтобы показать соотношение, массовый процент и атомный процент, они показаны в таблице 5.
Таблица 5
№ образца смеси
Соотношение [мас./мас.]
Количество [мас.%]
Количество [атом.%]
Бор
Кремний
Бор
Кремний
Бор
Кремний
F0
0
100
0
100
0
100
E0.3
3
100
3
97
8
92
D0.5
5
100
5
95
12
88
C1
10
100
9
91
21
79
B2
19
100
16
84
33
67
A3.3
33
100
25
75
46
54
G15
17
100
14
86
30
70
H100
100
0
100
0
100
0
I66
66
100
40
60
63
37
J
100
100
50
50
72
28
Измерение содержания связующего (полимера и растворителя) в связующем S-20 и S-30.
Также исследовали содержание "сухого" материала в гелях. Образцы S-20 и S-30 взвешивали, а затем помещали в печь на 18 часов при 98°C. После того, как образцы были извлечены из печи, их снова взвешивали. Результаты можно найти в таблице 6.
Таблица 6
Образец
До [г]
После [г]
Полимерная фракция [мас.%]
S-20
199,64
2,88
1,44
S-30
108,38
2,68
2,47
Пример 2: Исследования высокотемпературной пайки
2
2
При исследовании характеристик растекания и смачивания для тугоплавких присадок предшествующего уровня техники масса нанесенного тугоплавкой присадки составляет 2,0 грамма, что соответствует 0,2 граммам кремния. Поскольку должны были исследоваться смеси кремния и бора, в тестируемых композициях использовались сходные количества кремния и бора. Тугоплавкая присадка содержит 10 мас.% кремния, следовательно на тестовые образцы наносили 0,2 грамма смесей кремния и бора. Тестовые образцы были круглыми тестовыми деталями, имеющими диаметр 83 мм и толщину 0,8 мм, и тестовые детали были изготовлены из нержавеющей стали типа 316L. Поскольку не ожидалось, что 0,2 грамма смеси (Si и B) соответствовали бы 2 граммам тугоплавкого припоя, потому что сначала из основного металла и Si, и B должен быть создан "сформированный тугоплавкий припой". Следовательно, также исследовали большее количество, т.е. 0,4 грамма. Поведение "сформированного тугоплавкого припоя" исследовали на способность течь, поскольку если бы "сформированный тугоплавкий припой" не перетекал, тогда бы кремний и бор только диффундировали в основной металл или даже не плавили основной металл. Все образцы подвергали высокотемпературной пайке в вакуумной печи при 1210°C в течение 1 часа. Использовались двойные исследования. Это означает две массы 0,2 грамма и 0,4 грамма, двойные тестовые образцы и шесть различных смесей, т.е. F0, E0.3, D0.5, C1, B2 и A3.3, давая в сумме 2×2×6=24 образца. Смеси наносили на круглый участок, имеющий диаметр прибл. 10-14 мм, т.е. поверхность от 78 до 154 мм или прибл. 1,3-5,1 мг смеси на мм.
Результаты:
Ясно наблюдали, что тестовые детали из основного металла расплавились и были созданы некоторые типы расплавов. Также наблюдали, что расплавы в некоторых аспектах оказались в качестве тугоплавкого припоя с текучестью. Без измерения размера смачивания, судя по всему, увеличенная фракция бора в смесях привела к лучшему смачиванию. Однако, также было замечено, что для большинства образцов расплавилась вся толщина покрытой области, создавая отверстие, которое создавалось в середине тестового образца. Для "0,2 граммовых образцов" пять из двенадцати тестовых деталей имели отверстия, а для "0,4 граммовых деталей" - десять из двенадцати.
Один вывод, следовательно, состоит в том, что невозможно заменить пасту тугоплавкой присадки или подобное и наносить пятна или линии со "сравнительно равными количествами" смесей кремния и бора, поскольку смеси кремния и бора будут проплавлять отверстие в основном металле, если тестовый образец тонкий, в данном случае 0,8 мм. Если используются более толстые тестовые образцы, отверстия могут не появиться, но в основном металле могут быть созданы "канавки". Это можно предотвратить или улучшить путем добавления основного металла, например в виде порошка, к смесям бора и кремния. Если наносится только кремний, т.е. образец F0, результат, по-видимому, имеет меньшую текучесть и худшие свойства смачивания, чем в других образцах, в которых наносили как кремний, так и бор.
Пример 3: Новая процедура нанесения
В этом примере одновременно были приготовлены тестовые пластины для всех исследований углового шва, исследований коррозии и испытаний на разрыв. Из примера 2 сделали вывод, что может быть рискованным нанесение смесей кремния и бора в виде точек или линий на тонкостенные пластины. Следовательно, исследовали новые тестовые образцы, т.е. новые тестовые пластины покрывали различными смесями Si и B для исследований углового шва, исследований коррозии и испытаний на разрыв.
Соответственно новые тестовые образцы представляли собой пластины, изготовленные из нержавеющей стали типа 316L. Размер пластин составлял 100 мм в ширину, 180-200 мм в длину, и толщина составляла 0,4 мм. Все пластины очищали в посудомоечной машине и в ацетоне перед нанесением смесей Si и B. Измеряли массу. На каждой пластине маскировали участок 35 мм на одной короткой стороне.
2
2
Использовали различные смеси A3.3, B2, C1, D0.5, E0.3, F0, G15, H100 и I66, все с добавленным связующим S-30. Пластины "окрашивали" смесями на немаскированной площади поверхности, при этом данная площадь поверхности имела размер 100 мм × 35 мм. После сушки в течение более чем 12 часов при комнатной температуре, маскировочную ленту удаляли, и измеряли массу пластины для каждой из пластин. Масса, представленная ниже в таблице 7, представляет собой восемь итоговых количеств смесей на площади 100 мм × 35 мм = 3500 мм = 35 см.
Таблица 7
№ образца
Соотношение B:Si [мас./мас.]
Масса смеси + высушенного связующего [г]
Масса смеси Si+B без связующего [г]
Масса смеси на единицу площади [мг/см<sup>2</sup>]
A3.3
33:100
0,0983
0,0959
2,74
B2
19:100
0,0989
0,0965
2,76
C1
10:100
0,1309
0,1277
3,65
D0.5
5:100
0,1196
0,1166
3,33
E0.3
3:100
0,0995
0,0970
2,77
H100
100:0
0,1100
0,1073
3,07
I66
66:100
0,0900
0,0878
2,51
Пример 4: Исследование образцов на коррозию при изгибе
Тестовые пластины из примера 3 разрезали на полосы шириной 35 мм, приводя к площади покрытой поверхности на каждой полосе 35 мм × 35 мм. Круглую штампованную пластину помещали на поверхностные участки полос. Круглая штампованная пластина показана на фигуре 1. Штампованная пластина имела размер 42 мм в диаметре и 0,4 мм толщиной и была изготовлена из нержавеющей стали типа 316L. Тестовые образцы подвергались высокотемпературной пайке 1 час при 1210°C. Образцы для испытаний, приготовленные для исследований коррозии, покрывали образцами смесей A3.3, B2, C1, D0.5, E0.3, H100, I66 и J, смотри таблицу 5.
Образцы для испытаний исследовали в соответствии со способом исследования коррозии ASTM A262, «Стандартные методы определения подверженности межкристаллитной коррозии аустенитных нержавеющих сталей». Из этого способа исследований выбрали «Метод E - Медь - Сульфат меди - Серная кислота. Метод определения подверженности межкристаллитной коррозии аустенитных нержавеющих сталей». Причиной выбора этих исследований коррозии было подозрение на то, что бор может реагировать с хромом из стали, создавая бориды хрома, главным образом, на границах зерен, что увеличивает риск межкристаллитного наступления коррозии. Образцы для испытаний помещали в кипящую 16% серную кислоту вместе с сульфатом меди на 20 часов, на что в стандарте ссылались как на "практический подход", и после этого проводили исследование на изгиб согласно главе 30 указанного стандарта.
Результаты исследования коррозии и послойный анализ тестовых образцов
Тестовые детали подвергались исследованию на изгиб согласно способу исследования коррозии в главе 30.1. Ни один из образцов не дал указаний на межкристаллитную коррозию при визуальном исследовании изогнутых поверхностей. После исследования согласно стандарта ASTM изогнутые образцы для испытания нарезали, шлифовали и полировали, и поперечные сечения изучали в световом оптическом микроскопе и ЭДС, т.е. энергодисперсионной спектроскопией. Результаты приведены в таблице 8.
Таблица 8
№ образца
Визуальное исследование поверхности на наличие коррозионных трещин при изгибе при исследовании согласно стандарту ASTM
Результаты металлографического исследования коррозии поперечных сечений тестовых образцов и исследования на изгиб тестовых образцов. Результаты СЭМ-ЭДС (сканирующая электронная микроскопия и энергодисперсионная спектроскопия)
A3.3
Трещин нет
Коррозии нетПоверхностный слой прибл. макс. 8 мкм с несколькими трещинами. Содержавшая трещины фаза имела высокое содержание Cr и B, вероятнее всего из-за выделившейся фазы Cr-B
B2
Трещин нет
Коррозии нетПоверхностный слой прибл. макс. 8 мкм с несколькими трещинами. Фаза с трещинами имела высокое содержание Cr и B, вероятнее всего это фаза борида хрома.
C1
Трещин нет
Коррозии или трещин нет
D0.5
Трещин нет
Коррозии или трещин нет
E0.3
Трещин нет
Коррозии нет
Поверхностный слой прибл. макс. 60 мкм с несколькими трещинами. Содержавшая трещины фаза имела высокое содержание Si, обычно <5 мас.%
H100
Трещин нет
Корродированная поверхность и соединение.
I66
Трещин нет
J
Трещин нет
Коррозии нетПоверхностный слой прибл. макс. 20 мкм с несколькими трещинами. Содержавшая трещины фаза имела высокое содержание Cr и B, вероятнее всего это фаза борида хрома.
Комментарии:
Очевидно, что при добавлении больших количеств бора, как в образцах H100, J, I66, на поверхности формируется хрупкий слой. Этот слой образуется, вероятно, из-за высокой концентрации выделяющейся фазы борида хрома, увеличиваясь с количеством бора. В образце H100 никакого хрупкого слоя не находили, наиболее вероятно из-за коррозии на поверхности. Так как количество боридов хрома увеличивается с увеличением количества бора, то также следует принимать во внимание, что коррозионные свойства могут ухудшаться. Это объясняет, почему образец H100 подвергался коррозии при исследовании коррозии. "Негативное" воздействие бора может быть уменьшено путем использования более толстых подложек и/или более длительных времен диффузии. Тогда возможно "разбавить" бор посредством его диффузии в основной металл. В образцах A3.3 и B2 с меньшим количеством бора формировался более тонкий хрупкий поверхностный слой. Было видно, что в образце E0.3 с низким количеством бора формировался довольно толстый хрупкий поверхностный слой с высоким содержанием кремния, как правило, >5 мас.% кремния. Этот слой имел отличающиеся характеристики, чем у хрупких поверхностей A3.3, B2, H100, I66 и J. "Негативное" воздействие кремния может быть уменьшено путем использования более толстых основных металлов и/или более длительных времен диффузии. Тогда возможно "разбавить" кремний в основном металле.
Пример 5: Исследование углового шва образцов.
Тестовые пластины из примера 3 разрезали на полосы шириной 35 мм, приводя к площади покрытой поверхности на каждой полосе 35 мм × 35 мм. Круглую штампованную пластину помещали на поверхностные участки полос. Круглая штампованная пластина показана на фигуре 1. Штампованная пластина имела размер 42 мм в диаметре и толщину 0,4 мм и была из нержавеющей стали типа 316L. Штампованная пластина имела две штампованных балки, каждая прибл. 20 мм длиной. Эти образцы подвергали высокотемпературной пайке прибл. 1 час при прибл. 1200°C.
Результаты исследования углового шва представляют ширину тугоплавкого припоя, найденного в области соединения, созданного между плоским участком поверхности и соприкосновением со штампованной балкой в тестовом образце, и показаны на фигуре 1. Смеси наносили на плоские участки поверхности перед нагревом. Количество тугоплавкого припоя оценивалось, смотри фигуру 2, путем аппроксимации области поперечного сечения углового шва двумя треугольниками, сформированными на каждой стороне от центра соединения. В средней части нет дополнительного сформированного "тугоплавкого припоя" или имеются очень небольшие его количества. Площадь этих двух треугольников может быть вычислена путем измерения высоты (h) и основания (b). Общая площадь этих двух треугольников в сумме дает (h)×(b), поскольку имеются два треугольника. Проблема при этом расчете заключается в том, что трудно измерить высоту. Поэтому мы используем следующее уравнение для вычисления площадей двух треугольников:
A=((X-B)/2)×((X-B)/2)×tan α,
где A является общей площадью этих двух треугольников, X является общей шириной сформированного соединения, а B является частью сформированного соединения, где объем сформированного тугоплавкого припоя в центре соединения пренебрежимо мал. Таким образом, основание каждого треугольника равно (X-B)/2. Высота вычисляется путем измерения угла α, который является углом между касательными к штампованной балке и основной пластиной.
Для вычисления объема общего созданного объема сформированного тугоплавкого припоя, который перетек в трещины, длину двух балок, т.е. каждая балка составляет 20 мм, умножали на значение A.
Площадь двух треугольников представляет собой оцененную площадь после высокотемпературной пайки и показана в таблицах 9 и 10. Объем является объемом сформированного тугоплавкого припоя на одной из балок. Результаты исследования углового шва показаны в таблицах 9 и 10, и на фигуре 3. В таблице 9 и в таблице 10 v и h означают v = левая балка и h = правая балка.
Таблица 9Результаты исследований углового шва, образцы A3.3-B2/B4
№ образца
Нанесено связующего Si+B[г]
Ширина[мм]
Оцененная площадь после высокотемпературной пайки[мм<sup>2</sup>]
Объем[мм<sup>3</sup>]
A3.3x-1v
0,06
2,69
0,29
5,8
A3.3x-1h
0,06
2,58
0,25
5,0
A3.3-1v
0,10
2,23
0,14
2,8
A3.3-1h
0,10
2,31
0,16
3,2
A3.3-2v
0,14
3,38
0,63
12,6
A3.3-2h
0,14
3,19
0,52
10,4
A3.3-3v
0,09
1,92
0,07
1,4
A3.3-3h
0,09
1,85
0,05
1,0
B2X-1v
0,18
2,12
0,11
2,2
B2X-1h
0,18
2,50
0,22
4,4
B2X-2v
0,15
2,31
0,16
3,2
B2X-2h
0,15
2,31
0,16
3,2
B2-1v
0,10
1,96
0,07
1,4
B2-1h
0,10
1,92
0,07
1,4
B2-2v
0,24
3,23
0,54
10,8
B2-2h
0,24
3,23
0,54
10,8
B2-3v
0,16
2,77
0,32
6,4
B2-3h
0,16
2,69
0,29
5,8
B4v
0,11
1,35
0,00
0
B4h
0,11
1,35
0,00
0
Таблица 10Результаты исследований углового шва, образцы C1-F0
№ образца
Нанесено связующего Si+B[г]
Ширина[мм]
Оцененная площадь после высокотемпературной пайки[мм<sup>2</sup>]
Объем[мм<sup>3</sup>]
C1X-1v
0,22
2,50
0,22
4,4
C1X-1h
0,22
2,69
0,29
5,8
C1X-2v
0,33
3,08
0,46
9,2
C1X-2h
0,33
3,27
0,56
11,2
C1-1v
0,13
1,46
0,01
0,2
C1-1h
0,13
1,46
0,01
0,2
C1-2v
0,15
1,96
0,07
1,4
C1-2h
0,15
2,08
0,10
2,0
C1-3v
0,14
1,54
0,01
0,2
C1-3h
0,14
1,62
0,02
0,4
D0.5-1v
0,19
2,54
0,23
4,6
D0.5-1h
0,19
2,50
0,22
4,4
D0.5-2v
0,12
1,08
0,00
0
D0.5-2h
0,12
1,08
0,00
0
D0.5-3v
0,14
2,04
0,09
1,8
D0.5-3h
0,14
2,04
0,09
1,8
E0.3-1v
0,13
1,15
0,00
0
E0.3-1h
0,13
1,15
0,00
0
E0.3-2v
0,21
2,31
0,16
3,2
E0.3-2h
0,21
2,31
0,16
3,2
E0.3-3v
0,10
1,35
0,00
0
E0.3-3h
0,10
1,35
0,00
0
F0-1h
0,45
2,69
0,29
5,8
F0-2v
0,25
1,08
0,00
0
F0-2h
0,25
1,35
0,00
0
F0-3v
0,96
2,96
0,41
8,2
F0-3h
0,96
3,08
0,46
9,2
2
2
2
2
2
Результаты измеренной ширины и оцененных площадей представлены в таблицах 9 и 10 и проиллюстрированы на фигуре 3. Нанесенные количества, смотри таблицы 9 и 10, варьировались от 0,06 г/3500 мм до 0,96 г/3500 мм. Это соответствует от прибл. 0,017 мг/мм до 0,274 мг/мм, по сравнению с прибл. 1,3-5,1 мг смеси на мм, использованной в примере 2.
Для смесей определяли линии трендов Y=K×X+L. Y является шириной соединения [мм], K представляет собой наклон линии, X представляет собой нанесенное количество смеси [г], а L является константой, смотри фигуру 3. Таким образом, ширина паяного соединения:
Y (ширина для образца A3.3)=1,554+9,922×(нанесенное количество смеси A3.3)
Y (ширина для образца B2)=0,626+10,807×(нанесенное количество смеси B2)
Y (ширина для образца C1)=0,537+8,342×(нанесенное количество смеси C1)
Y (ширина для образца F0)=0,632+7,456×(нанесенное количество смеси F0)
2
Как подмечено из диаграммы, среди смесей A3.3, B2, C1, D0.5, E0.3 и F0 смесь A3.3 дает наивысшее количество тугоплавкого припоя в соединении в зависимости от нанесенного количества смеси. Образец F0 не дает никаких существенных соединений при содержании ниже 0,20 грамма на 3500 мм.
2
Для смеси определяли линию тренда Y=K×X-L, где Y является площадью [мм], K представляет собой наклон линии, X представляет собой нанесенное количество смеси [g], а L является константой, смотри фигуру 4.
Y (площадь для образца A3.3)=4,361×(нанесенное количество смеси A3.3)-0,161
Y (площадь для образца B2)=3,372×(нанесенное количество смеси B2)-0,318
Y (площадь для образца C1)=2,549×(нанесенное количество смеси C1)-0,321
Y (площадь для образца F0)=0,569×(нанесенное количество смеси F0)-0,093
2
Грубая оценка созданного объема основана на диаграмме по фигуре 4, и, например, для количества 0,18 г на 3500 мм, исключая образец F0 из-за "отсутствия" паяных соединений и образец D0.5 из-за слишком малого количества данных, дает для образцов значения созданного объема тугоплавкого припоя в соединении между двумя балками, как видно ниже.
3
Объем (A3.3)=0,63×длина 40 (20×2)=25,2 мм
3
Объем (B2)=0,30×длина 40 (20×2)=12,0 мм
3
Объем (C1)=0,12×длина 40 (20×2)=4,8 мм
3
Объем (E0.3)=0,10×длина 40 (20×2)=4,0 мм
Также исследовали смеси с более высокой долей бора, например, G15, H100, I66 и J. Все эти смеси работали практически аналогично смеси A3.3 и B2 относительно создаваемого объема тугоплавкого припоя. Однако, металлографическое исследование поперечного сечения паяных образцов показало, что количество боридов было значительнее. Для образца H100, т.е. чистого бора, на поверхности, на которую ранее была нанесена смесь, также были найдены хрупкие фазы с высоким содержанием хрома. Наиболее вероятно, что твердые фазы были боридами хрома, которые снижают содержание хрома в окружающем материале, таким образом уменьшая устойчивость к коррозии. Это может стать проблемой, когда требуется хорошая устойчивость к коррозии, но не является проблемой для некоррозионного окружения. Влияние бора может быть уменьшено путем изменения режима термической обработки и/или путем использования более толстого основного металла, который может "поглощать" большее количество бора. Для более толстого материала, т.е. ≥1 мм, этот эффект "поглощать" бор на поверхности также будет менее выраженным, поскольку доля поверхностного объема по сравнению с объемом основного металла гораздо меньше, чем для тонкого материала толщиной <1 мм или <0,5 мм. Бориды хрома могут быть преимуществом, если требуется лучшая износоустойчивость. Металлографическое исследование также показало, что в образце F0, т.е. в чистом кремнии, обнаружили толстый хрупкий слой, содержащий кремниевую фазу. Этот слой имел толщину >50% от толщины пластины для некоторых участков в исследованном образце. Подобную фазу также обнаружили в соединении. В этой фазе обнаружили трещины длиной >30% от толщины пластины. Такие трещины будут ухудшать механическую прочность соединенного изделия и могут быть точками начала образования коррозии и/или усталостных трещин. Средняя измеренная твердость этой фазы была более 400 Hv (по Виккерсу). Вероятно, эту хрупкую фазу гораздо труднее уменьшить по сравнению с боридной фазой, используя более толстый основной металл или изменением режима термической обработки. Тем не менее для более толстого основного металла это влияние может быть менее выраженным.
Пример 6. Испытание на разрыв паяного соединения
2
Исходные покрытые тестовые пластины разрезали на полосы. Размер пластины составлял прибл. 100 мм в ширину, 180-200 мм в длину и толщину 0,4 мм. Площадь нанесения для каждой полосы была 10 мм на 35 мм = 350 мм. На участок нанесения помещали более толстую часть, 4 мм, из нержавеющей стали типа 316L, покрывая 30 мм из общей 35 мм поверхности нанесения. Более толстую часть помещали на конце полосы, оставляя 5 мм поверхности нанесения, не покрытой толстой пластиной. При этом уменьшение прочности материала пластины из-за нанесенной смеси было бы обнаружено при испытании на разрыв, если соединение прочнее, чем пластина. Более толстая пластина была также шире, чем 10 мм полосы. Все тестовые образцы подвергались высокотемпературной пайке при прибл. 1200°C прибл. 1 час.
После высокотемпературной пайки выполнили пробу на отслаивание под углом 90° и толстую часть тестового образца устанавливали горизонтально на нижнюю часть в установке испытания на разрыв. Паяную полосу жестко сгибали под углом 90° в вертикальном направлении и эту полосу устанавливали на верхнюю часть установки испытания на разрыв. Толстую часть тестовых образцов устанавливалась так, чтобы она могла перемещаться в горизонтальном направлении. Затем данные образцы нагружали, и паяное соединение расщеплялось, либо полоса разрушалась/трескалась.
Результаты
Результаты представлены в качестве относительной доли (%) не разрушенных соединений для каждого условия. Испытание терпело неудачу, если пластина была прочнее, чем соединение, что приводило к тому, что соединение разрушалось. Если соединение было прочнее, чем пластина (неразрушающее условие), то данная пластина растрескалась/разрушилась раньше, чем соединение. Результаты приведены в таблице 11 и на диаграмме по фигуре 5.
Таблица 11
Смесь Si+B [г]
A3.3-1 Доля успеха [%]
B2-1 Доля успеха [%]
C1-1 Доля успеха[%]
D0.5-1 Доля успеха [%]
0,0600
100
0,0910
100
0,0989
83
0,1092
100
0,1196
0
0,1309
50
0,1399
100
0,1402
50
0,1428
0
0,1500
100
0,1548
67
0,1558
100
0,1800
100
0,1850
50
0,2200
100
0,2417
100
0,3000
100
0,3300
100
Пример 7
2
Для установления связи между нанесенным количеством и риском прогорания отверстий сквозь пластины, как описано в примере 2, выполняли новые исследования. Для всех исследований использовали смесь B2, смотри таблицу 6. К смеси B2 добавляли связующее S-30. Тестовые заготовки представляли собой диски из нержавеющей стали типа 316 толщиной 0,8 мм и диаметром 83 мм. Для всех образцов смесь наносили в центр тестовой заготовки. Покрытая площадь была 28 мм, т.е. представляла собой круглое пятно, имеющее диаметр 6 мм. Все тестовые образцы взвешивали до и после нанесения смеси, и результаты приведены в таблице 12. Затем тестовые образцы выдерживали при комнатной температуре 12 часов. Образцы снова взвешивали.
Все тестовые образцы помещали в печь и подвергали высокотемпературной пайке при 1210°C прибл. 1 час. Во время высокотемпературной пайки только внешние края каждого образца находились в соприкосновении со связующим материалом, сохраняя нижнюю поверхность центра пластины свободной от соприкосновений с каким-либо материалом во время высокотемпературной пайки. Причина сохранения нижней поверхности центра пластины свободной от соприкосновении заключается в том, что может быть предотвращено разрушение или прогорание насквозь, материал центра поддерживается снизу связующим материалом.
Нанесенное количество и результаты прогорания насквозь для 0,8 мм образцов приведены в таблице 12.
Таблица 12
№ образца
Смесь Si+B и дополни-тельное влажное связующее S-30 [г]
Смесь Si+B и дополнитель-ное влажное связующее S-30 [мг/мм<sup>2</sup>]
Смесь Si+B и дополнитель-ное высушенное связующее S-30 [мг/мм<sup>2</sup>]
Расчетное количество смеси Si+B без связующего [мг/мм<sup>2</sup>]
Прогорание насквозь[1] или [0]
1
0,020
0,714
0,464
0,453
0
2
0,010
0,357
0,232
0,226
0
3
0,040
1,429
0,928
0,905
0
4
0,030
1,0714
0,696
0,679
0
5
0,050
1,786
1,161
1,132
0
6
0,060
2,143
1,393
1,359
0
7
0,070
2,500
1,625
1,585
0
8
0,080
2,857
1,857
1,811
0
9
0,090
3,214
2,089
2,037
0
10
0,100
3,571
2,321
2,264
0
11
0,110
3,928
2,554
2,491
1
12
0,120
4,285
2,786
2,717
1
13
0,130
4,642
3,018
2,943
1
14
0,150
5,357
3,482
3,396
1
15
0,170
6,071
3,946
3,849
1
16
0,190
6,786
4,411
4,302
1
17
0,210
7,500
4,875
4,755
1
18
0,230
8,214
5,339
5,207
1
19
0,280
10,000
6,500
6,339
1
20
0,290
10,357
6,732
6,566
1
2
2
2
2
2
2
2
Исследования показывают, что образец 11 имеет прогорание насквозь. Образец 10 имеет 2,264 мг/мм нанесенного количества смеси, а образец 11 имеет 2,491 мг/мм. Для соединенных пластин, имеющих толщину менее чем 1 мм, существует риск прогорания насквозь при количестве в диапазоне от примерно 2,830 мг/мм до примерно 3,114 мг/мм, при этом количество в середине этого диапазона равно 2,972 мг/мм. Следовательно, для пластины, имеющей толщину менее чем 1 мм, количество менее чем 2,9 мг/мм было бы подходящим для предотвращения прогорания пластины насквозь. Результат также показывает, что 2,491 мг/мм будет вызывать прогорание насквозь пластины, толщиной менее чем 0,8 мм, причем пластина имеет круглое пятно, имеющее диаметр 6 мм, нанесенной смеси. Образцы с меньшими площадями нанесения могут иметь больше нанесенной смеси на единицу площади, чем образцы с большими площадями нанесения.
Пример 8
В примере 8 паяное соединение между двумя штампованными теплообменными пластинами изготавливают тремя различными путями. Толщина теплообменных пластин составляет 0,4 мм.
В первом и втором тестовых образцах использовалась тугоплавкая присадка на основе железа с составом, близким к нержавеющей стали типа 316, смотри WO 2002/38327. Тугоплавкая присадка имела концентрацию кремния примерно 10 мас.%, концентрацию бора примерно 0,5 мас.% и пониженное количество Fe - примерно 10,5 мас.%. В первом тестовом образце тугоплавкую присадку наносили линиями, а во втором тестовом образце тугоплавкую присадку наносили равномерно по поверхности. В обоих случаях присадку наносили после штампования.
После высокотемпературной пайки тестовый образец 1 показал, что тугоплавкая присадка, нанесенная линиями, втягивалась в паяные соединения. Часть тугоплавкой присадки не перетекла в паяное соединение и, следовательно, локально увеличила толщину на линии нанесения. Для тестового образца 2 тугоплавкая присадка перетекла в паяные соединения, однако часть тугоплавкой присадки осталась на поверхности и увеличила толщину. В обоих тестовых образцах 1 и 2 количество добавленной тугоплавкой присадки соответствовало прибл. 15 мас.% от материала пластины.
В тестовом образце 3 использовалась смесь A3.3, смотри таблицу 7. Смесь равномерно наносили на пластину перед штампованием. Смесь наносили в количестве, которое создало бы паяное соединение со сходными размерами, как в тестовых образцах 1 и 2.
На тестовый образец 3 наносили равномерный слой A3.3. Это количество соответствует массовому соотношению смесь:материал пластины примерно 1,5:100. При высокотемпературной пайке тугоплавкий припой формировался, главным образом, из основного металла. Этот тугоплавкий припой перетек в паяные соединения. Соответственно толщина пластины уменьшилась, поскольку основной материал растворялся и втягивался в паяные соединения.
Пример 9. Исследования с различными источниками Si и источниками B
Исследования в примере 9 проводили для исследования альтернативных источников бора и источников кремния. Смесь B2, смотри таблицу 7, выбирали в качестве эталона для исследования. Альтернативные источники исследовали на их способность создавать соединение. В каждом эксперименте исследовали либо альтернативный источник бора, либо альтернативный источник кремния. При использовании альтернативного источника влияние второго элемента полагали равным нулю, это означает, что в альтернативном компоненте "измеряли" только массу бора или кремния, смотри таблицу 13. Для эталонной смеси B2 массовое соотношение между кремнием и бором составляет 10 к 2. Каждую смесь смешивали со связующим S-30 и эту смесь наносили на стальную пластину в соответствии с примером 1. Все образцы подвергали высокотемпературной пайке в вакуумной печи при 1210°C в течение 1 часа.
Таблица 13
Образец
Альтерна-тивный источник
Добавленное количество источника Si [г]
Добавленное количество источника B [г]
Соответст-вующее количество кремния [г]
Соответст-вующее количество бора [г]
Si-B
Si-B
10,0
2,0
10,0
2,0
Si-B<sub>4</sub>C
B<sub>4</sub>C
10,0
2,6
10,0
2,0
Si-FeB
FeB
10,1
12,5
10,1
2,0
FeSi-B
FeSi
30,2
2,0
10,1
2,0
Si-NiB
NiB
10,1
13,0
10,1
2,0
Для смеси B2 определяли линию тренда Y=K×X+L, где Y является шириной соединения [мм], K представляет собой наклон линии для смеси B2, X представляет собой нанесенное количество смеси [г], а L является константой при отсутствии нанесенного количества смеси B2, смотри фигуру 3. Таким образом, ширина паяного соединения Y=0,626+10,807×(нанесенное количество смеси).
В Таблице 14 l и r означают l = левая балка, а r = правая балка, как в примере 5.
Таблица 14
Образец
Нанесенное количество [г]
Расчетная ширина Y соединения [мм<sup>2</sup>]
Измеренная ширина соединения [мм<sup>2</sup>]
Si-B<sub>4</sub>C-l
0,22
3,0
2,69
Si-B<sub>4</sub>C-r
0,22
3,0
2,88
Si-FeB-l
0,26
3,4
1,73
Si-FeB-r
0,26
3,4
1,73
FeSi-B-l
0,29
3,8
2,1
FeSi-B-r
0,29
3,8
2,1
Si-NiB-l
0,39
4,8
2,69
Si-NiB-r
0,39
4,8
2,88
4
Результаты в таблице 13 показывают, что в качестве альтернативных источников бора можно использовать BC, NiB и FeB. Когда использовали NiB, созданное количество тугоплавкого припоя было меньше, чем для чистого бора, однако, NiB может быть использован, если требуется эффект легирования с помощью Ni.
Пример 10. Исследования основных металлов
В примере 10 исследовали большое число различных основных металлов. Все исследования, за исключением низкоуглеродистой стали и сплава Ni-Cu, выполняли в соответствии с Y-тестом.
Для Y-теста две круглых штампованных тестовых заготовки толщиной прибл. 0,8 мм помещали друг на друга. Каждый образец имел штампованную круглую балку. Верхние грани балок располагали друг напротив друга, создавая круговую щель между заготовками. На каждый образец кистью для краски наносили смесь B2 со связующим S-20. Массу добавленного количества не измеряли, так как целью исследования было исследовать, возможно ли создавать тугоплавкую присадку, а не исследовать как различные количества воздействуют на результаты. Фотография одного из образцов после соединения представлена на фигуре 6.
На образцы из низкоуглеродистой стали и на образцы из Ni-Cu смесь наносили смесь одинаковым образом. Для низкоуглеродистой стали исследования выполняли как в примере 5 "исследование углового шва". Исследование Ni-Cu выполняли с двумя плоскими тестовыми заготовками. Все образцы, за исключением Ni-Cu, подвергали "высокотемпературной пайке" в печи при прибл. 1200°C, т.е. 1210°C, 1 час в вакуумной печи. Образец Ni-Cu подвергали высокотемпературной пайке при прибл. 1130°C прибл. 1 час в той же вакуумной печи. После "высокотемпературной пайки" было сформировано соединение между заготовками во всех сделанных исследованиях. Перетекание созданного «тугоплавкого припоя», состоящего, главным образом, из основного металла, в соединение также наблюдали для всех тестовых образцов. Результаты показаны в таблице 15.
Таблица 15
№ образца основного материала
Cr [мас.%]
Fe [мас.%]
Mo [мас.%]
Ni [мас.%]
Cu [мас.%]
Mn [мас.%]
После высокотемпературной пайки соединение создано?
После высокотемпературной пайки есть перетекание тугоплавкого припоя?
1
-
0,3
-
99
-
0,2
Да
Да
2
21
0,6
16
62
0,4
-
Да
Да
3
22
0,7
16
59
1,6
-
Да
Да
4
0,6
1,9
29
68
0,2
-
Да
Да
5
21
4,4
13
58
-
-
Да
Да
6
19
5,0
9,0
63
0,4
-
Да
Да
7
15
5,5
17
60
-
0,3
Да
Да
8
1,1
5,6
28
63
0,6
0,4
Да
Да
9
19
6,2
2,6
70
1,7
0,4
Да
Да
10
33
32
1,7
33
0,4
0,6
Да
Да
11
27
33
6,5
32
1,1
1,4
Да
Да
12
27
36
3,4
32
1,0
1,4
Да
Да
13
24
44
7,2
23
0,3
1,5
Да
Да
14
20
48
4,3
25
1,1
1,2
Да
Да
15
19
50
6,3
25
0,2
-
Да
Да
16
20
54
6,5
19
0,6
0,4
Да
Да
17
29
64
2,4
3,5
-
-
Да
Да
18
28
66
2,2
3,5
-
-
Да
Да
19
0,3
1,1
-
66
31
1,6
Да
Да
20
0,17
99,5
-
-
-
0,3
Да
Да
Результаты в Таблице 15 показывают, что тугоплавкие припои формируются между смесью и основным металлом для каждого образца 1-20. Результаты также показывают, что соединения создавались для каждого тестового образца.
Результаты примеров 1-10 показывают, что бор требовался для создания существенного количества тугоплавкого припоя, который мог бы заполнять соединения, а также придавать им прочность. Примеры также показывают, что бор требовался для микроструктуры, поскольку в образцах без бора формировался толстый хрупкий слой.
Пример 11. Исследования предварительной высокотемпературной пайки
В примере 11 исследовали четыре различных основных материала. Смесь, которую использовали для тестовых заготовок, была смесью A3.3, смотри предыдущие примеры. Все смеси изготавливали с использованием Si и B в качестве источников понижающих температуру плавления компонентов, диспергированных в лаке от Akzo Nobel (если не указано иное). Основным материалом тестовых заготовок был:
1. Нержавеющая сталь типа 316 толщиной 0,4 мм
2. Никель типа 200 толщиной 0,45 мм
3. Сплав Монель 400 толщиной 1,0 мм
4. Сплав Hastelloy C2000 толщиной 0,5 мм
2
2
Для материала типа 316 на большие тестовые заготовки, т.е. размером 323 мм × 123 мм, наносили смеси, причем общую массу в 2 грамма рассчитали на кремний и бор в смеси без какого-либо связующего, т.е. лака, на каждой большой тестовой заготовке. Рассчитанное количество кремния и бора соответствует прибл. 0,05 мг/мм. Тестовые заготовки покрывали смесью A3.3, используя элементарный кремний и элементарный бор в смеси. Соотношения кремния и бора в смеси A3.3 могут быть найдены в таблице 4. Каждую покрытую тестовую заготовку высушивали и отверждали при менее чем 400°C на воздухе. В исследованиях со сталью 316, за исключением исследования в ленточной печи, использовали большие тестовые заготовки. Для исследования в ленточной печи тестовую заготовку подгоняли к максимальной ширине печи. Для других материалов использовали 2-6 различных размера тестовых заготовок, но на все нанесли смесь кремния и бора с 0,05 мг/мм.
Тестовые заготовки подвергали предварительной высокотемпературной пайке в соответствии со следующими циклами предварительной высокотемпературной пайки:
VC1(T) - вакуумный цикл, где T является максимальной температурой, а время выдержки составляет 1 ч при максимальной температуре.
VC2(T) - вакуумный цикл, где T является максимальной температурой, а время выдержки составляет 2 ч при максимальной температуре.
BF(T,t) - цикл в ленточной печи в атмосфере водорода, где T является максимальной температурой, а t является прибл. временем при максимальной температуре.
Циклами предварительной высокотемпературной пайки, которые осуществляли, были:
Исследования никеля типа 200, сплава Монель 400 и сплава Hastelloy C2000:
1) Цикл VC1(1100°C)
Исследования нержавеющей стали типа 316:
2) Цикл VC2(1040°C)
3) Цикл VC2(1060°C)
4) Цикл VC2(1070°C)
5) Цикл VC2(1080°C)
6) Цикл VC2(1090°C)
7) Цикл VC2(1100°C)
8) Цикл VC2(1110°C)
9) Цикл VC2(1120°C)
10) Цикл VC2(1130°C)
11) Цикл VC2(1140°C)
12) Цикл VC2(1160°C)
13) Цикл VC2(1180°C)
14) Цикл VC2(1200°C)
15) Цикл BF(1100°C, 10 минут)
16) Цикл BF(1130°C, 10 минут)
Анализ поперечного сечения тестовых заготовок.
Поперечные сечения всех предварительно обработанных материалов анализировали, используя СЭМ-ЭДС (сканирующий электронный микроскоп - энергодисперсионная спектроскопия). В поперечных сечениях анализировали состав полученного слоя тугоплавкого припоя. Также определяли содержание кремния в зависимости от глубины от поверхности пластины, где смесь была нанесена. Результаты анализа приведены в таблице 16.
Таблица 16
№ исследования
Содержание кремния на различной глубине от поверхности слоя тугоплавкого припоя [мас.%]
15 мкм
30 мкм
45 мкм
60 мкм
75 мкм
90 мкм
105 мкм
120 мкм
1) Никель 200
3-4
3-4
3-4
3-4
3-4
2-3
2-3
2-3
1) Монель 400
1,5-5
1,5-5
1,5-5
1,5-5
1,5-5
<0,3
<0,3
<0,3
1) C2000
3-6
3-6
3-6
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
<0,1
2) 316
5-6
5-6
5-6
5-6
<0,6
<0,6
<0,6
<0,6
3) 316
5-6
5-6
5-6
5-6
<0,6
<0,6
<0,6
<0,6
4) 316
6-7
6-7
6-7
6-7
6-7
<0,6
<0,6
<0,6
5) 316
5-7
5-7
5-7
5-7
5-7
<0,6
<0,6
<0,6
6) 316
5-6
5-6
5-6
5-6
5-6
<0,6
<0,6
<0,6
7) 316
4-6
4-6
4-6
4-6
4-6
<0,6
<0,6
<0,6
8) 316
5-7
5-7
5-7
5-7
5-7
<0,6
<0,6
<0,6
9) 316
4-7
4-7
4-7
4-7
4-7
4-7
4-7
<0,6
10) 316
4-8
4-8
4-8
4-8
4-8
<0,6
<0,6
<0,6
11) 316
3-8
3-8
3-8
3-8
3-8
<0,6
<0,6
<0,6
12) 316
4-7
4-7
4-7
4-7
4-7
<0,6
<0,6
<0,6
13) 316
3-7
3-7
3-7
3-7
3-7
<0,6
<0,6
<0,6
14) 316
3-6
3-6
3-6
3-6
3-6
<0,6
<0,6
<0,6
15) 316
4-9
4-9
4-9
4-9
<0,6
<0,6
<0,6
<0,6
Результаты исследований показывают, что сверху основных материалов существуют сформированные слои. Содержания кремния представляют собой приблизительные диапазоны, но значительно отличаются от содержания кремния в основном материале, т.е. менее чем 0,6 мас.%. Результаты исследований показывают, что температура имеет влияние на сформированный слой тугоплавкого припоя, но результаты больше зависят от типа основного материала.
Магнитный анализ и анализ формы для предварительно обработанных материалов стали 316
Анализировали два из предварительно обработанных материалов, номер 7, VC(1100°C), и номер 15, BF(1100°C, 10 мин.). Оба предварительно обработанных образца показали для поверхностного слоя магнитные свойства, отчетливо отличающиеся от основного материала, немагнитной нержавеющей стали типа 316. Магнитные свойства подтверждали, поскольку было возможно поднять предварительно обработанные образцы, но не "необработанные образцы", постоянным магнитом. Также у предварительно обработанных образцов изменялась форма. При визуальном контроле предварительно обработанных пластин подтверждалось, что пластины согнулись с предварительно обработанной поверхности, обращенной наружу, в созданную выпуклую поверхность. Это также означает, что если материал не имеет возможности деформироваться (тонкая пластина, как в данном случае), или, если материал предварительно обрабатывали с обеих сторон, на поверхности будут присутствовать напряжения сжатия. Напряжения сжатия могут, например, увеличивать воздействие усталостных свойств.
Исследования твердости поверхности:
4
Полученные поверхностные слои тугоплавкого припоя исследовали на твердость. Образцами, которые исследовали, были никель типа 200, сплав Монель 400, сплав Hastelloy C2000, нержавеющая сталь типа 316 из тестового образца 15 BF(1100°C, 10 мин.) и нержавеющая сталь типа 316 из тестового образца 16 BF(1130°C, 10 мин.), покрытые как смесью A3.3, изготовленной из Si и B, так и смесью A3.3, изготовленной из Si и BC. Результаты приведены в таблице 17.
Таблица 17
Сплав Монель 400, VC1(1100C), покрытый смесью A3.3
HV 0,05
Глубина от поверхности тугоплавкого припоя [мкм]
660
29
660
47
310
62
278
105
258
203
224
217
210
262
Никель типа 200, VC1(1100°C), покрытый смесью A3.3
HV 0,05
Глубина от поверхности тугоплавкого припоя [мкм]
401
14
396
29
258
47
221
83
234
126
Сплав Hastelloy 2000, VC1(1100°C), покрытый смесью A3.3
HV 0,05
Глубина от поверхности тугоплавкого припоя [мкм]
441
15
404
25
288
50
267
77
255
92
241
119
244
161
Нержавеющая сталь типа 316 BF(1100°C, 10 мин.), покрытая смесью A3.3
HV 0,05
Глубина от поверхности тугоплавкого припоя [мкм]
374
26
298
33
330
44
277
77
274
108
Нержавеющая сталь типа 316 BF(1130°C, 10 мин.), покрытая смесью A3.3 с элементарным бором
HV 0,05
Глубина от поверхности тугоплавкого припоя [мкм]
787
14
277
29
228
48
201
96
178
151
231
218
Нержавеющая сталь типа 316 BF(1130°C, 10 мин), покрытая смесью A3.3 с B<sub>4</sub>C
HV 0,05
Глубина от поверхности тугоплавкого припоя [мкм]
909
17
589
48
261
53
253
77
227
134
213
168
Нержавеющая сталь типа 316 VC2(1100°C), покрытая смесью A3.3
HV 0,05
Глубина от поверхности тугоплавкогоприпоя [мкм]
1049
22
509
32
326
52
265
69
229
105
207
168
Нержавеющая сталь типа 316 VC2(1200°C), покрытая смесью A3.3
HV 0,05
Глубина от поверхности тугоплавкого припоя [мкм]
532
18
261
38
243
61
224
80
222
128
229
169
Результаты:
Исследования твердости показывают, что твердость слоя тугоплавкого припоя выше, чем у основных материалов. Все исследованные основные материалы имели твердость менее чем прибл. 300 HV0,05 после цикла предварительной тепловой обработки или цикла высокотемпературной пайки. Твердость поверхностного слоя и основного материала определяли от исходной поверхности основного материала до глубины прибл. 200 мкм. Увеличенные значения твердости находились в соответствии с ранее определенным увеличением содержания Si в этом поверхностном слое данного тугоплавкого припоя. Исследования также показывают, что твердость выше на поверхности, чем ближе к основным материалам.
Пример 12. Исследования способности к высокотемпературной пайке
В этом примере исследовали полученные слои тугоплавкого припоя из примера 11, такие образцы, как 2-14. Исследовали один дополнительный образец, и он был образцом номер 17, в котором материал представлял собой необработанную нержавеющую сталь типа 316 с нанесенной смесью. Исследования проводили с целью обнаружения, может ли быть создано паяное соединение между подложкой, имеющей слой тугоплавкого припоя, и другой подложкой без какого-либо слоя тугоплавкого припоя.
Тестовые заготовки были пластинами из нержавеющей стали типа 316, и исследования высокотемпературной пайки проводили в обычных циклах высокотемпературной пайки. Исследование выполняли путем помещения предварительно обработанной тестовой пластины с обращенным вверх слоем тугоплавкого припоя. Круглую штампованную пластину без какого-либо тугоплавкого припоя, смотри фигуру 1, помещали сверху предварительно обработанной тестовой пластины на слой тугоплавкого припоя. На круглую штампованную пластину прикладывали груз для удерживания ее в соприкосновении с предварительно обработанной тестовой пластиной. Образец тестовой пластины затем подвергали циклу VC1(T) в вакууме при температуре 1210°C. Результат представлен в качестве размера спаянной площади в зависимости от температуры предварительной обработки. Образцы разрезали поперек круглой штампованной пластины и ширину центра полученного соединения определяли согласно фигуре 2. В таблице 18 приведена средняя ширина центра для каждого тестового образца.
Таблица 18
№ образца
Температура предварительной обработки [°C]
Ширина центра [мм]
1
1000
2,56
2
1040
2,45
3
1060
2,53
4
1070
2,53
5
1080
2,18
6
1090
2,14
7
1100
2,25
8
1110
1,99
9
1120
1,91
10
1130
2,25
11
1140
1,21
12
1160
1,87
13
1180
0,78
14
1200
0,00
Результаты этих исследований показывают, что чем выше температура предварительной высокотемпературной пайки, тем меньше паяное соединение, т.е. слой тугоплавкого припоя предварительно обработанных высокотемпературной пайкой образцов теряет способность к образованию паяных соединений. Малая ширина центра является результатом низкой способности к высокотемпературной пайке. При потере способности к высокотемпературной пайке предварительно обработанные высокотемпературной пайкой образцы не могут быть использованы для высокотемпературной пайки без добавления тугоплавкого припоя или без добавления дополнительной смеси бора и кремния после этапа предварительной высокотемпературной пайки. Критическая температура зависит от основного материала. Если основной материал имеет высокую температуру плавления, тогда полученный слой тугоплавкого припоя все еще может иметь способность к высокотемпературной пайке при более высокой температуре предварительной высокотемпературной пайки.
Пример 13. Испытания на разрыв
2
В примере 13 исследовали шесть различных основных материалов. Тестовые образцы покрывали различными смесями, при этом смесями были A3.3, B2 и C1, все изготовленные с использованием Si и B, в качестве источников понижающих температуру плавления компонентов, в лаке от Akzo Nobel (если не утверждено иное). Большие тестовые заготовки основных материалов, т.е. размером 323 мм × 123 мм, покрывали смесями. Общую массу в 2 г рассчитали на кремний и бор в смеси без какого-либо связующего, т.е. лака, на каждой большой тестовой заготовке. Расчетное количество кремния и бора соответствует приблизительно 0,05 мг/мм.
Образцы представляли собой следующие основные материалы:
1. Нержавеющая сталь типа 316 толщиной 0,4 мм
2. Никель типа 200 толщиной 0,45 мм
3. Сплав Монель 400 толщиной 1,0 мм
4. Нержавеющая сталь типа 254SMO толщиной 0,4 мм
5. Низкоуглеродистая сталь толщиной 0,4 мм, имеющая содержание железа >97 мас.%
6. Сплав Hastelloy C2000 толщиной 0,5 мм
В этом примере образцы материалов, покрытые слоем тугоплавкого припоя, исследовали в соответствии с примером 11, образец 1 (сплав Hastelloy C2000).
В этих исследованиях две заготовки вырезали для каждого образца для испытания на разрыв. Одну из тестовых заготовок вырезали из необработанной пластины того же самого основного материала, что и предварительно обработанную заготовку, т.е. из заготовки, покрытой слоем тугоплавкого припоя, смотри пример 11, или вместе с поверхностью, покрытой смесью A3.3, диспергированной в лаке от Akzo Nobel. Размер тестовых заготовок был 41-45 мм в длину и 11,3-11,7 мм в ширину. Каждую тестовую заготовку сгибали посередине, используя прессовый инструмент. Верхняя часть прессового инструмента имела форму 3-х мм толстой пластины длиной прибл. 150 мм. Нижнюю часть инструмента изготавливали из толстой пластины с «обработанной канавкой» радиусом 1,9 мм. При штамповании тестовую заготовку укладывали на нижнюю часть прессового инструмента предварительно обработанной поверхностью обращенной вниз, где после пластины штамповали/сгибали на середине их длины при штамповке. Иногда дополнительный изгиб осуществляли вручную после штампования, например, если материал имел большое спружинивание или был "слишком толстым".
Закрепление образцов
Первую изогнутую тестовую заготовку с предварительно обработанной поверхностью или нанесенной поверхностью помещали обработанной поверхностью обращенной вверх на 1 мм пластину (2222 мм) с "несмачивающими" свойствами. Эту пластину вместе с первой изогнутой тестовой заготовкой затем устанавливали по диагонали трубы, имеющей квадратное поперечное сечение. Размеры трубы составляли 17×17 мм внутренние и 20×20 мм внешние. Толщина (стенки) трубы была прибл. 1,4 мм, а высота 55 мм.
Вторую изогнутую необработанную тестовую заготовку помещали так, чтобы изогнутая часть второй тестовой заготовки помещалась сверху изогнутой части первой изогнутой тестовой заготовки. Вторую тестовую заготовку помещали в трубу в перпендикулярном направлении к первой тестовой заготовке, создавая небольшую область соприкосновения между этими двумя заготовками. Закрепленные образцы затем нагревали в цикле VC1(1210°C).
Испытания на разрыв
Паяные тестовые образцы после высокотемпературной пайки устанавливали в установку испытания на разрыв «Instron Corporation Серия IX Автоматическая система испытания материалов». Скорость перемещения траверсы составляла прибл. 1 мм/мин. Нагрузка измерялась в кН. Результаты испытания на разрыв как для предварительно обработанных (PRE) образцов, так и для не обработанных предварительно образцов, представлены в таблице 19.
Таблица 19
Сплав Hastelloy C 2000
Образец
Средняя нагрузка при максимальной нагрузке [кН]
Изделие, покрытое слоем тугоплавкого припоя
1,144
A3.3 Лак
1,330
B2 Лак
1,214
C1 Лак
1,325
Никель типа 200
Изделие, покрытое слоем тугоплавкого припоя
0,359
A3.3 Лак
0,360
Сплав Монель 400 (1140°C)
Изделие, покрытое слоем тугоплавкого припоя
1,522
A3.3 Лак
1,487
Нержавеющая сталь типа 254SMO
Изделие, покрытое слоем тугоплавкого припоя
1,525
A3.3 Лак
1,298
C1 Лак
0,802
Нержавеющая сталь типа 316
Изделие, покрытое слоем тугоплавкого припоя цикл BF(T,t) (выполненный в атмосфере водорода при температуре 1100°C)
1,166
A3.3 Лак
1,693
B2 Лак
1,602
C1 Лак
1,565
Таблица 19 показывает, что паяные соединения из образцов со слоем тугоплавкого припоя имеют сопоставимую прочность на разрыв, как и паяные соединения образцов, которые имеют смесь кремния и бора, диспергированную в связующем, нанесенную на поверхность. Следовательно, эти результаты испытаний показывают, что выбор способа высокотемпературной пайки может зависеть не только от ожидаемой прочности полученных соединений на разрыв, но также от других аспектов.