книги / Справочник по пайке

ники для ядерной энергетики. При этом оребрение труб проволокой производится индукцион­ ной пайкой с использованием германиевых при­ поев ПЖГ-22 и ПГ-17Н. Пайку труб с трубны­ ми решетками производят в вакуумных печах.

ПАЙКА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан по совокупности физико-механи­ ческих свойств является одним из важнейших современных конструкционных материалов. Он почти в 2 раза легче, чем углеродистые стали и многие цветные сплавы, его плот­ ность равна 4,5 г/см3 Титан - высокопрочный (ав = 300 600 МПа) и пластичный (5 = 25 50 %) металл; его коррозионная стойкость в ряде агрессивных сред превосходит коррози­ онно-стойкие стали. Титан довольно широко распространен в природе; его в 10 раз больше, чем Мп, Сг, Си, Zn, V, Ni, Со, W и Nb вместе взятых. Эти и ряд других ценных свойств от­ крывают большие возможности для широкого применения титана в промышленности.

На поверхности титана всегда имеется альфированный слой, насыщенный атмосфер­ ными газами. Перед пайкой этот слой необхо­ димо удалить пескоструйной обработкой или

После такой обработки на поверхности титана все же остается тонкая оксидная пленка, пре­ пятствующая смачиванию его поверхности припоем. Поэтому иногда пытаются паять ти­ тан с применением специальных флюсов, по составу аналогичных флюсам для пайки алю­ миния. Но соединения титана, паянные с при­ менением таких флюсов, не отличаются высо­ ким качеством. Обычно пайку титана и его сплавов ведут в вакууме или аргоне, который тщательно очищен от примесей кислорода, азота и паров воды^ТЪлько в такой чистой ат­ мосфере или в вакууме оксидная и нитридная пленки на титане растворяются в металле при условии, что температура пайки выше 700 °C j Поэтому процесс пайки титана ведут обычно при температуре 800 900 °С, что способст­ вует быстрой очистке поверхности титана и хорошему смачиванию его припоями. Пайку титановых сплавов при более высоких темпе­ ратурах производят довольно редко (особенно печную), так как при его длительном нагреве при температурах выше 900 °С отмечаются склонность к росту зерна и некоторое сниже­

ние пластических свойств. Поскольку предел прочности основного металла при этом прак­ тически не снижается, то в отдельных случаях соединение титановых сплавов пайкой произ­ водят даже при 1000 °С.

Водород, всегда находящийся в титане и снижающий его пластичность, удаляется при пайке (или нагреве) в вакууме 10"2 Па при тем­ пературе около 900 °С, поэтому пайка титана в вакууме предпочтительнее, чем пайка в ней­ тральной атмосфере.

При выборе припоя, способа и режимов пайки необходимо иметь в виду, что титан образует хрупкие интерметаллиды в паяном шве почти со всеми элементами, входящими в припои. Поэтому в качестве основы припоя часто выбирают серебро, которое образует с титаном интерметаллиды, предположительно менее хрупкие, чем с другими металлами. Ино­ гда за основу припоев выбирают алюминий, который образует с титаном ограниченную область твердых растворов, что позволяет рас­ считывать на получение менее хрупких паяных соединений.

При пайке титана в вакууме чистым алю­ минием, из-за образования в шве интерметаллидных фаз, соединения имеют практически нулевую прочность. Толщина интерметаллидной прослойки уменьшается, если при пайке титана в качестве припоя применяется алюми­ ний, легированный Си, Fe, Ge, Mg, Mn, Ni, Sb, Ti, Zr и Si. Все названные добавки (по 1 % в отдельности) способствуют подавлению роста интерметаллидной прослойки. Наиболее эффек­ тивное торможение обеспечивает 0,8 % Si в А1.

При пайке в вакууме титана таким припо­ ем образуется интерметаллидный слой не­ большой толщины состава AI3Ti, но прочность соединений не превышает 80 МПа. При приме­ нении другого припоя на основе А1, содержа­ щего 4,8 % Si; 3,8 % Си; 0,2 % Fe и 0,2 % Ni, при пайке титана ВТ1 в вакуумной печи при температуре 670 ± 10 °С и выдержке 5 мин прочность соединений равна 140 МПа. Пайка ТВЧ в среде аргона при температуре 720± 10 °С трубопроводов из сплава ВТ1 припоем на ос­ нове алюминия, содержащего: 0,3 % Fe; 0,35 % Si и 0,05 % Си, дает возможность получить

серебром и припоями систем Ag-Cu (ПСр72) и Ag-Cu-Mn (ПСр37,5), которые позволяют по­ лучить при пайке в вакуумных печах при

Т = 850 1000 °С высокопрочные паяные соединения. Например, при пайке титана ВТ1 чистым серебром в атмосфере аргона предел прочности на срез паяных соединений равен 180 200 МПа, а при пайке серебром, легиро­ ванным марганцем (10 15 %), достигает 280 МПа. При этом соединения, паянные чис­ тым серебром, неустойчивы против коррозии и в течение года (в городской атмосфере) сни­ жают свою прочность на 25 30 %.

Для пайки в вакууме титановых сплавов применяют также серебряные припои, состав которых определяется треугольником тройной системы Ag-Cu-Al с точками координат (в %): Ag91-Cu2-A17; Ag54-Cu2-A144; Ag54-Cu39-A17. С целью повышения механических свойств соединений за счет подавления роста интерметаллидных фаз в паяных швах трехкомпонент­ ные припои легируют Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Au и Zn в количестве, не превышающем 7 % от массы припоя. В результате прочность а в соединений титана, паянных этими припоя­ ми, возрастает от 150 180 МПа до 200 270 МПа и зависит от состава припоя, темпера­ туры пайки и величины сборочного зазора. Прочность а в соединений титанового сплава Ti-6A1-4V, паянного в вакуумной печи при разрежении 5 • 10"3 Па при температуре 630 °С и выдержке 15 мин припоем, содержащим (в %): 65Ag-30Al-5Cu, равна 210 МПа, если величина сборочного зазора не превышает 0,05 мм. При пайке этого же сплава в вакууме при темпера­ туре 770 °С припоем, содержащим (в %): 49,5Ag-20Cu-20Zn-3Ni-5In-2,5Li, прочность со­ единений достигает 245 МПа, а при пайке в вакууме при температуре 930 °С и зазоре 0,05 мм припоем на основе серебра, содержащим (в %): 95,5Ag-4Al-0,5Mn, прочность ов возрастает до 270 МПа.

Применение припоев на основе серебра с различными легирующими компонентами по­

интерметаллидных прослоек и обеспечить вы­ сокую ударную вязкость паяных соединений, однако получаемая прочность соединений в 3 - 4 раза меньше прочности основного ме­ талла в отожженном состоянии, а сами припои дефицитны и дороги.

Еще более высокие значения предела прочности паяных соединений можно полу­ чить при высокотемпературной пайке титана припоями на основе никеля или меди (ов = 300 МПа), а также припоями на основе титана. Припои системы Ti-Zr-Cu-Ni хрупкие и не поддаются прокатке традиционными мето­ дами. Такие припои применялись в виде по­ рошков или стружки. К настоящему времени из слитков сплавов системы Ti-Zr-Cu-Ni может быть получена лента толщиной 200 мкм быст­ рой кристаллизацией из расплава струи при­ поя, выливаемой на вращающийся охлаждае­ мый валок. Процесс получения ленты осущест­ вляется в инертной среде. Имеются разработки по изготовлению аморфных припоев в виде лент толщиной от 20 мкм из сплавов той же системы. Известно также применение в качест­ ве припоя титана, плакированного с двух сто­ рон медью.

Применяются в качестве припоя и пакеты толщиной 0,07 мм из фольги титана толщиной 0,05 мм, меди - 0,01 мм и никеля - 0,01 мм. При пайке этими припоями в вакууме при тем­ пературе 960 °С и выдержке 16 мин титанового сплава (Ti-6A1-4V) обеспечивается предел

ний возрастает. При этом видна роль леги­ рующего компонента-бериллия, который спо­ собствует увеличению прочности соединений (табл. 6).

При пайке в вакууме при температуре 960 °С и зазоре 0,05 мм титанового сплава (Ti-4,7Al-2,5Sn) припоем, содержащим (в %): 70Ti- 15Cu-15Ni, прочность соединений в зави­ симости от выдержки 2 ч, 4 ч и 6 ч возрастает соответственно до 713, 745 и 755 МПа. При пайке с зазором 0,25 мм прочность соединений не меняется от выдержки и составляет 326 МПа.

Пайка в вакууме сплава ВТ6С припоями Ti-Ni-Cu показала, что механические свойства соединений также зависят от толщины обра­ зующегося шва, которая определяется величи­ ной сборочно-паяльного зазора и процессами металлургического взаимодействия припоя с титаном. В равной степени это относится и к припоям системы Ti-Zr-Cu-Ni, например ВПр16 и Стемет 1201 [6], что иллюстрируют данные, представленные в табл. 7.

Припой ВПр16 в виде ленты толщиной 120 мкм и аморфный припой Стемет 1201 в виде фольги (6 = 20 мкм) закладывались непо­ средственно в зазор. Измерение микротвердо­ сти зон соединений, паянных припоем ВПр16 с зазором 0,12 мм и припоем Стемет 1201 с зазо­ ром 0,1 мм, указывает на наличие в шве хруп­ ких интерметаллидных фаз. Об этом свиде­ тельствует также фрактографическое исследо­ вание изломов после разрушения образцов, где соотношение хрупкой и пластичной фаз в шве оценено как 60:40.

Прочность ств соединений, паянных с за­ зором 20 мкм аморфным припоем Стемет 1201, который по химическому составу близок к припою ВПр16, составляет 797 МПа, т.е. 92 % от прочности сплава ВТ6С в отожженном состоянии. При пайке припоем Стемет 1201 с зазором 0,02 мм ударная вязкость соединений увеличивается в 4 раза (8 Дж/см2 против 2 Дж/см2) для соединений, паянных с зазором 0,1 мм и с зазором 0,12 мм припоем ВПр16.

Для получения более пластичных и проч­ ных соединений с успехом применяют диффу­

Режимы пайки: Т, °С; т, мин

зионную пайку титана, сущность которой за­ ключается в том, что изделие, паянное мини­ мально необходимым количеством припоя, например никелем, медью, железом, кобальтом и другими металлами, выдерживают при тем­ пературе пайки до тех пор, пока в паяном со­ единении не образуется пластичный твердый раствор. Прочность соединений, полученных таким способом, близка к прочности паяемого металла.

Пайка титановых сплавов оловянно­ свинцовыми и другими низкотемпературными припоями применяется редко. В этом случае перед пайкой титан покрывают никелем хими­ ческим или гальваническим способом. Для увеличения сцепления никеля с титаном детали подвергают нагреву до 250 °С в течение 1 ч. После этого пайку производят теми же при­ поями и флюсами, которые используют для чистого никеля. Паять титан и его сплавы низ­ котемпературными припоями можно также после предварительного покрытия изделий оловом, серебром или медью. Для покрытия оловом подготовленное под пайку изделие быстро опускают на 10 20 мин в нагретое до 700 °С олово. Покрыть титан оловом можно и при помощи флюса, в состав которого входит хлористое олово. Компоненты флюса просу­ шивают и применяют в мелкоразмолотом виде. Изделие покрывают флюсом толщиной до 3 мм и нагревают в печи с нейтральной средой до 350 400 °С. Медное покрытие может быть получено погружением изделия на несколько секунд в расплавленную хлористую медь или ее смесь с другими хлоридами меди при 650 700 °С. Серебром титан покрывают методом погружения изделия в расплавленное серебро. После охлаждения деталь очищают от остатков флюса и шлака паром или кипячением в воде с последующей зачисткой наждачной бумагой или щеткой. Луженое изделие паяют легко­ плавкими припоями с Гпл < 200 °С с примене­ нием канифольных флюсов.

Перед нанесением покрытия детали обра­ батывают в соответствии с технологией, при­ меняемой в гальванотехнике.

ПАЙКА МОЛИБДЕНА

Удачное сочетание комплекса ценных физико-механических и коррозионных свойств делает этот металл одним из основных конст­ рукционных материалов новой техники. Мо­ либден имеет Гпл = 2622 °С; его плотность поч­ ти вдвое меньше, чем у вольфрама. Из него можно выполнять конструкции, работоспособ­ ные до 2000 °С. Молибден имеет высокую кор­ розионную стойкость против атмосферной коррозии. Однако он, так же как и вольфрам, сильно окисляется и без специальных покры­ тий не может работать при высоких температу­ рах в воздушной атмосфере. Основное затруд­ нение при пайке молибдена возникает из-за большого сродства его к кислороду, а также склонности к росту зерна при высоких темпе­ ратурах.

Температура рекристаллизации молибде­ на (850 1220 °С) зависит от многих факто­ ров и в первую очередь от степени деформации и чистоты. При переходе через порог рекри­ сталлизации молибден становится хрупким, что необходимо учитывать при выборе припоя для его пайки. Кроме того, молибден имеет небольшой температурный коэффициент ли­ нейного расширения (а = 5,6 КГ6 °С-1), что отличает его от металлов и сплавов, с которы­ ми он обычно соединяется при пайке (медь, никель, железо). По этим причинам пайку мо­ либдена необходимо производить в глубоком вакууме или среде аргона, тщательно очищен­ ного от кислорода и паров воды, с применени­ ем высоких скоростей нагрева. Перед пайкой молибдена должна быть полностью удалена оксидная пленка путем погружения его в рас­ плав, состоящий из 70 % NaOH и 30 % Na2C 03, при температуре не выше 400 °С или с помо­ щью электролитического травления в 80 %-ном водном растворе серной кислоты при 50 60 °С.

В качестве припоев для пайки молибдена пригодно большинство припоев, рекомендо­ ванных для пайки вольфрама. Например, при­ пой, содержащий 80 % Ni, 14 % Сг и 6 % Fe, обеспечивает получение паяного соединения с пределом прочности на срез 132 МПа при 980 °С.

Если пайку производят при температуре выше температуры рекристаллизации молиб­ дена (около 1100 °С), то время его выдержки

при пайке должно быть минимальным. Для пайки молибдена со сталью рекомендуется

При пайке со сталью 12Х18Н9Т предел проч­ ности паяного соединения при 600 °С состав­ ляет 220 230 МПа.

Для пайки молибдена применяют припои системы золото-никель, обеспечивающие по­ лучение надежных паяных соединений; в мас­ совом производстве из-за дефицитности золо­ тые припои применяют редко. Для пайки, на­ пример, меди с молибденом используют при­ пой ПСр72 или чистое серебро. Для улучшения растекаемости серебряных припоев молибден покрывают никелем и медью. Толщина нике­ левого слоя не должна быть больше 3 мкм, медного - 3 4 мкм; при большей толщине возможно отслаивание покрытия. Для улучше­ ния сцепления никелевого покрытия с молиб­ деном производят термическую обработку в вакууме при 950 1000 °С. Кроме того, дета­ ли из молибдена перед никелированием отжи­

ПСр72 и чистого серебра по молибдену улуч­ шается при введении в них 1 2 % фосфора.

Для пайки молибдена в качестве припоя можно применять чистую медь. Однако медь плохо смачивает и растекается по поверхности молибдена. Для улучшения смачивающей спо­ собности медь легируют кобальтом, железом, марганцем, никелем, кремнием, палладием. Количество легирующих добавок в медных припоях строго регламентируется и не должно превышать 4 5%. Ограничение вызвано тем, что все названные добавки, кроме палладия, образуют с молибденом хрупкие интерметаллиды, которые кристаллизуются на границе раздела и ослабляют прочность соединения. При пайке молибдена чистой медью необходи­ мо строго соблюдать режим пайки: температу­ ра 1100 °С, выдержка 20 мин. Увеличение тем­ пературы и выдержки приводит к расширению хрупкой диффузионной зоны и снижению прочности соединения.

Молибден можно паять и чистым нике­ лем. Никель наносят на молибден гальваниче­ ским способом или в виде фольги. Пайку про­ изводят в вакууме 10~2 - 10“3 Па при 1350 °С, т.е. выше температуры образования эвтектики,

При таком режиме происходит полное раство­ рение никеля в молибдене с образованием твердого раствора, в швах не образуется хруп­ ких зон и соединения выдерживают много­ кратные нагревы до 2600 °С.

Для пайки молибдена используют припои на основе титана, ванадия, хрома, тантала. Так, соединение молибденовых деталей - фланца с тепловой трубой системы ядерного реактора, осу­ ществляют в вакууме при температуре 1750 °С припоем состава V-35%Ti. Если сборочный зазор соединяемых деталей не превышает 0,05 мм, то паяные швы могут успешно работать до температуры 1397 °С. Для эксплуатации со­ единений выше этой температуры рекомендо­ ван припой, состоящий из механической смеси порошков молибдена и ванадия (50 50). При пайке в вакууме этим припоем при температу­ ре 2257 °С образуются герметичные соедине­ ния, способные работать до температуры 1597 °С и противостоять воздействию агрес­ сивных теплоносителей.

Для соединения молибденовых деталей можно использовать и чистый ванадий, при пайке которым в вакууме при температуре 1512 °С и сборочном зазоре 0,025 мм образу­ ются плотные соединения с прочностью до

нения, паянные в вакууме при температуре 1050 1175 °С припоями на основе железа: Fe-4C-1B; Fe-15Mo-5Ge-4C-lB; Fe-25Mo-4C-lB.

Соединения молибдена, паянные легко­ плавкими оловянно-свинцовыми припоями с применением флюсов на основе водного рас­ твора хлористого цинка, могут работать при температурах не более 150 °С. Для пайки соедйнений молибдена, работающих при тем­ пературах 650 °С, применяют припои: Ag-P; Ag-Cu; Ag-Cu-Ni-Li. Пайку производят погру­ жением в расплавленный припой или газовой горелкой.

ПАЙКА НИОБИЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Высокие коррозионная стойкость в силь­ ных кислотах и в расплавленных щелочных металлах, стойкость при облучении, сверхпро­ водимость и другие свойства делают ниобий и его сплавы весьма ценными конструкционными материалами для ракетостроения, химического аппаратостроения и других областей техники. Предел прочности ниобия с в = 400 МПа, отно­ сительное удлинение 5 = 30 %, 7 ^ = 2500 °С.

При высокотемпературном отжиге ниобия (1450 °С и выше) отмечается собирательная рекристаллизация, т.е. интенсивный рост зерна и появление выделений по границам зерен; ударная вязкость ниобия при этом снижается примерно в 20 раз.

При нагреве на воздухе выше 200 °С нио­ бий заметно окисляется; с повышением темпе­ ратуры окисляемость сильно возрастает. Резкое повышение окисляемости ниобия при 1000 °С и выше связано не только с увеличением ско­ рости диффузии кислорода, но и с качест­ венными изменениями, происходящими в структуре оксидной пленки. При температуре 1000 1100 °С происходит переход низко­ температурной модификации оксида a-Nb20 5 в высокотемпературную модификацию P-Nb20 5, сопровождающийся значительным увеличени­ ем объема (в 2,7 раза), что приводит к возник­ новению внутренних напряжений и локальным разрушениям пленки и ее отслоению. Послед­ нее и вызывает резкое повышение окисляемо­ сти ниобия.

При нагреве ниобия наряду с его окисле­ нием происходят диффузия и растворение га­ зов в металле. Предельная растворимость ки­ слорода в ниобии (массовые доли) составляет: при 500 °С - 0,25 %, при 1916 °С - 0,72 %; азо­ та при 300 °С - 0,003 %, при 1500 °С - 0,07 %. Образование газонасыщенного слоя приводит к резкому повышению твердости и снижению пластичности ниобия. Значительно более вы­ сокими свойствами, чем ниобий, обладают сплавы на его основе.

Для получения высокопрочных и пла­ стичных паяных соединений целесообразно для пайки ниобия применять чистые металлы: титан, ванадий, цирконий, которые образуют с ниобием неограниченные твердые растворы. На основе указанных металлов можно полу­ чить пластичные припои и жаропрочные пая­ ные соединения, однако все они слишком ту­ гоплавки и требуют оборудования, позволяю­ щего производить пайку в высоком вакууме при температурах 1600 1900 °С. При ваку­ умной пайке ниобия титаном (1750 °С), цирко­ нием (1900 °С) и ванадием (1950 °С) при вы­ держке 5 мин образуются качественные соеди­ нения, но из-за роста зерна в паяемом металле падают его прочность и пластичность.

Для пайки ниобия при более низких тем­ пературах используют бинарные сплавы Ti-Zr и Ti-V, имеющие минимум на линии ликвидус (1620 °С). Снижение температуры пайки до

близкой к вторичной кристаллизации ниобия (1000 °С) в сплавах Ti-Zr, Ti-V и Zr-V достига­ ется за счет легирования их бериллием до 5 % или железом до 15 %. Припои состава (в %): 48Ti-48Zr-4Be и 45Ti-40Zr-15Fe имеют тем­ пературу пайки 1050 °С, а припой состава 67Zr-29V-4Fe - 1300 °С. При пайке этими припоями в швах образуются хрупкие интерметаллидные фазы, которые снижают проч­ ность соединений. Толщина интерметаллидной фазы и прочность соединения зависят от величины сборочного зазора. При пайке нио­ бия с зазором 0,075 мм припоем состава (в %): 48Ti-48Zr-4Be предел прочности на срез со­ единения равен 248 МПа, а при пайке с ббльшим зазором (0,127 мм) - 184 МПа. Во многом свойства паяных соединений зависят и от со­ става припоя. Так, соединения ниобия, паян­ ные припоем 48Ti-48Zr-4Be, остаются работо­ способными после 500 термоциклов (815 371 °С ) и после старения при 815 °С в течение 100 ч. В то же время при применении припоев 45Ti-40Zr-15Fe и 67Zr-29V-4Fe в швах после таких испытаний появляются трещины [15].

Ниобиевый сплав Д36 (Nb-10Ti-5Zr) ра­ ботает при температурах до 1650 °С. Пайку его можно осуществлять в вакууме при температу­ ре 1470 °С припоем Ti-ЗЗСг и при температуре 1280 °С припоем Ti-30V-4Be. Длительный от­ жиг при температуре 1310 °С в течение 16 ч обеспечивает жаростойкость соединений до 1815°С.

При пайке припоем Ti-ЗЗСг не происхо­ дит эрозии паяемого металла, а микрострукту­ ра шва состоит из твердого раствора Ti и Сг в ниобии, содержащего внутри и по границам зерен частицы интерметаллида TiCr2. После диффузионного отжига частицы TiCr2 равно­ мерно распределяются, а твердый раствор Nb-Ti-Cr обогащается ниобием и становится пластичнее.

При пайке ниобиевого сплава припоем Ti-30V-4Be при температуре 1288 °С, выдерж­ ке 2 мин и диффузионной обработке (4 ч при температуре 1124 °С и 16 ч при 1316 °С) эро­ зии паяемого металла и хрупких фаз в шве не образуется, если величина сборочного зазора не превышает 0,05 мм. При сборочных зазорах более 0,05 мм в центре шва кристаллизуется хрупкая фаза, ослабляющая шов.

Жаропрочность при температуре 1371 °С соединений ниобиевого сплава CL-3, паянного припоем Ti-ЗЗСг, выше (31,8 МПа), чем при применении припоя Ti-40V-4Be (18,3 МПа).

Припой Ti-ЗЗСг применяется и при пайке нио­ биевого сплава (Nb-l%Zr) для соединений уз­ лов энергоустановок с высокотемпературными жидкометаллическими теплоносителями (Na, К, Li).

Для пайки ниобия в вакууме применяют и припой на основе меди, содержащий 30 % Ni; 1 2 % Fe; 1 2% Si; 0,2 % В и после дли­ тельной выдержки при температуре пайки (1500 °С) обеспечивающий получение доста­ точно прочных паяных соединений.

Для пайки ниобия в среде аргона с точкой росы -70 °С можно использовать сплавы сис­ темы Cr-Pd-Ge. Рекомендованы два сплава:

1)50 % Сг; 30 % Pd; 20 % Ge, температура пайки 1450 °С, выдержка 5 мин; предел проч­ ности соединения на срез при 1093 °С 58 МПа;

2)50 % Сг; 35 % Pd; 15 % Ge; температура пай­ ки 1450 °С, выдержка 5 мин; предел прочности соединения на срез при 1093 °С 74 МПа.

Рекомендуется также.припой для пайки ниобия, состоящий из 17 % Nb; 10 % V; 8 % Сг; 2,3 % Al; Ti - основа Временное сопротивление

при растяжении а в соединения равно 800 МПа, относительное удлинение 6 = 4% .

ПАЙКА ВОЛЬФРАМА

Вольфрам и его сплавы, обладая высокой прочностью, жаропрочностью до температуры 2700 °С и другими ценными качествами, явля­ ются необходимыми материалами в ряде об­ ластей техники. Металлический вольфрам ши­ роко применяют в ракетостроении, электро­ ламповой, радиотехнической и электровакуум­ ной промышленности. Вольфрам широко ис­ пользуют в промышленности в чистом виде и в виде сплавов; он является наиболее тугоплав­ ким металлом с 7^ = 3410 °С, имеет временное

ляется его хрупкость при 20 °С (относительное удлинение и сужение равны нулю). Механиче­ скую обработку вольфрама можно производить

Пайку вольфрама необходимо стремиться производить при температурах ниже темпера­ туры его рекристаллизации 1450 °С, поскольку выше этой температуры прочность вольфрама значительно снижается. При сварке плавлени­ ем рекристаллизация вольфрама и его охруп­ чивание неизбежны, поэтому применение пай­ ки для изделий из вольфрама предпочтитель­

нее. При соединении вольфрама с другими металлами основная трудность связана со зна­ чительным различием в ТКЛР.

При 20 °С вольфрам обладает высокой химической стойкостью, но при нагревании выше 400 500 °С окисляется с образованием трехокиси вольфрама W 03. При пайке вольф­ рама требуется особо тщательная очистка его поверхности, которую производят механиче­ скими средствами или травлением в кислотах. Травить можно в смеси равных частей азотной и фтористоводородной кислот с последующей промывкой в горячей воде или спирте. Очистку можно вести также в горячем растворе едкого натра или электролитическим методом, приме­ няя в качестве электролита разбавленный рас­ твор азотнокислого натрия (NaN03). Способ очистки выбирают в зависимости от степени окисленности вольфрама.

После тщательной очистки вольфрам ус­ пешно паяется во всех защитных и восстанови­ тельных средах, но чаще в вакууме, так как при этом обеспечивается получение более плотных паяных швов. Для улучшения смачивания вольфрама расплавленными припоями иногда применяют предварительное гальваническое покрытие его никелем или медью.

Для высокотемпературной пайки вольф­ рама используют припои с температурой плав­ ления до 3000 °С, в том числе чистые металлы (тантал, ниобий, никель, медь) и сплавы (Ni-Ti, Ni-Cu„Mn-Ni-Co, Мо-В и др.).

Учитывая склонность вольфрама к рекри­ сталлизации, пайку его необходимо произво­ дить при Максимальных скоростях нагрева с минимальной выдержкой при пайке. Наиболее перспективным способом соединения вольф­ рама является сочетание пайки с последующей диффузионной обработкой. В результате такой обработки получаются паяные соединения с высокой температурой распайки (вторичного расплавления паяного шва).

При диффузионной обработке происхо­ дят диффузия, растворение, а также испарение отдельных компонентов. Например, марганец кипит при 2150 °С и при этой же температуре полностью испаряется. Поэтому при диффузи­ онной обработке швов, паянных припоями, содержащими марганец, повышение темпера­ туры вторичного расплавления достигается за счет испарения марганца. При правильном сочетании припоя, температуры пайки и вре­ мени выдержки можно получить паяные со­ единения с температурой вторичного расплав­

ления до 2760 °С. Например, при пайке вольф­ рама при 1000 1100 °С припоем платина - бор с добавкой порошка вольфрама в результа­ те реактивной диффузии в шве образуется сплав, работоспособный при 2000 °С. Преиму­ ществом этого припоя является то, что пайку вольфрама можно производить при температу­ ре ниже температуры его рекристаллизации, т.е. без снижения механических свойств вольфрама.

Перспективным является метод диффузи­ онной пайки, позволяющий до минимума уменьшить толщину прослойки припоя в зазо­ ре, в результате чего сокращается количество жидкой фазы в шве и уменьшается возмож­ ность образования хрупких зон.

Для капиллярной пайки вольфрама в ва­ кууме КГ2 Па или аргоне высокой чистоты можно использовать стандартные серебряные припои ПСр72, ПСр62, ПСр37,5; медно­ никелевые припои ВПр4, ПМ17, ПМ17А и припой на железной основе системы Fe-Mn. Наибольшее временное сопротивление при растяжении (265 МПа при зазоре 0,15 мм) обеспечивает припой ПСр37,5.

Соединения вольфрама, паянные чистым железом, могут надежно работать при 900 °С. Соединения, паянные припоем, состоящим из 75 % Сг и 25 % V, успешно работают при 1200 °С.

Возможно соединение вольфрама и при использовании в качестве припоев меди, мар­ ганца, олова и серебра, обеспечивающих высо­ кую прочность соединений, получающуюся за счет насыщения шва вольфрамом. Зерна вольфрама диспергируют вследствие адсорб­ ционного понижения его прочности под дейст­ вием расплавов припоев и спекаются в капил­ лярном зазоре. Для диффузионной пайки вольф­ рама рекомендованы три состава припоев в %:

1) Ni —основа, 6,5Cr, 2,5Fe, ЗВ, 5Si, 0,15С (Тт = 1066 °С);

2) 67,5Mn, 16Ni, 16Со, 0,5В (Тт =

=1066 °С);

3)69Ni, 20Cr, 10Si, IFe (7^ =1185 °С).

Припои применяют в виде порошка. Пай­ ку производят в атмосфере водорода; выдерж­ ка при пайке 5 мин.

ПАЙКА ЦИРКОНИЯ

Цирконий является относительно туго­ плавким металлом с Тм = 1855 °С, его плот­ ность 6,4 г/см3. Цирконий обладает сравни-

тельно низким временным сопротивлением при растяжении (200 280 МПа). Прочность его ниже, чем у титана и железа, а твердость при­ мерно одинакова. Добавки к цирконию молиб­ дена, ниобия, титана улучшают его механиче­ ские свойства. Цирконий и его сплавы пла­ стичны, хорошо обрабатываются давлением, резанием, имеют высокую коррозионную стой­ кость в агрессивных средах.

Близкие значения температурных коэф­ фициентов объемного расширения цирконие­ вых сплавов и некоторых диэлектриков позво­ ляют использовать их для получения соедине­ ний со стеклом и керамикой. Эти свойства де­ лают цирконий и его сплавы весьма ценными материалами в электронике и вакуумной технике.

При 20 °С цирконий и его сплавы инерт­ ны по отношению к газам, но при повышенной температуре они взаимодействуют с кислоро­ дом, азотом и водородом, образуя оксиды, нит­ риды и гидриды. Водород - единственный газ, реакция поглощения которого цирконием об­ ратима. Максимальное насыщение циркония водородом происходит при 280 300 °С; при нагреве в вакууме до 800 °С водород полно­ стью удаляется. С азотом цирконий начинает взаимодействовать с 400 °С. Наибольшее по­ глощение азота из воздуха происходит при 1000 1600 °С. Удалить азот из циркония при нагревании в вакууме до температуры 1300 °С не удается. Реакция циркония с кислородом сопровождается образованием на его поверх­ ности оксидной пленки. Однако при 450 °С оксидная пленка растворяется в металле, вследствие чего происходит дальнейшее по­ глощение кислорода. Удалить кислород из циркония нагревом в вакууме не удается. Инертные газы - аргон и гелий - не растворя­ ются в цирконии, но при недостаточной их чистоте цирконий окисляется и на его поверх­ ности образуется слой оксидов черно-синего цвета. Перед пайкой цирконий и его сплавы травят в смеси водных растворов плавиковой и азотной кислот (3 мл азотной, 5 мл плавиковой кислоты и 92 мл воды).

При пайке циркония в аргоне или гелии последние необходимо предварительно очи­ щать от примесей кислорода, водорода, азота и паров воды. Паять цирконий и его сплавы в вакууме можно при разрежении в камере пайки не ниже 10_3 Па.

При выборе припоя необходимо учиты­ вать, что многие компоненты, входящие в при­ пой (Ag, Си, Ni), активно взаимодействуют с

основным металлом с образованием химиче­ ских соединений или легкоплавких эвтектик. Поэтому пайку циркония с медью, никелем, железом или коррозионно-стойкой сталью можно осуществлять без припоя (контактно­ реактивным методом). Хотя соединения полу­ чаются и непрочными, но обеспечивают герме­ тичность и коррозионную стойкость. Многие припои активно растворяют цирконий, вызы­ вая сильную эрозию или сквозное проплавле­ ние тонкостенных конструкций. Сильной эро­ зии цирконий подвергается при пайке медью. Припой на основе титана не вызывает эрозии, так как титан с цирконием образует твердые растворы. Припоями на основе титана можно паять цирконий диффузионным методом.

Для высокотемпературной пайки цирко­ ния можно применять припои на основе золота. Золото с цирконием реагирует при 1065 °С. Небольшое количество легирующих добавок железа, никеля, меди, образующих с золотом твердые растворы, снижает температуру пайки, но не изменяет механические свойства паяных соединений. В качестве легирующих компо­ нентов используют также ванадий и кобальт. Эти элементы снижают температуру пайки и уменьшают растворимость циркония в припое, т.е. образуют с цирконием твердые растворы, или эвтектику, при температуре, значительно превышающей температуру пайки. Для пайки циркония рекомендуются также припои систе­ мы Cu-Pd с различными добавками (табл. 8).

Легирование меди палладием и циркони­ ем способствует уменьшению растворения основного металла в припое. Температура плавления припоев 960 1050 °С, пайку цир­ кония этими припоями осуществляют в вакуу­ ме 10"2 Па.

Припои обеспечивают вакуумную плот­ ность соединений циркония с железом, низко­ углеродистой сталью и никелем при 20 °С и

8. Припои для пайки циркония (без предварительного покрытия)

повышенных температурах. Пайку циркония этими припоями осуществляют без нанесения барьерных покрытий, что упрощает техноло­ гический процесс и повышает надежность со­ единений.

При пайке циркониевых сплавов (Zr-Sn) - циркалой палладиевыми припоями состава (в %): Ag-33Pd-3Mn; Au-25Pd-25Ni; Pd-35Co, - происходит интенсивное растворение паяемого металла. Растворение уменьшается при приме­ нении припоев (в %): Au-18Ni; Zr-5Be; Zr50Ag; Zr-29Mn и Zr-24Sn, - но при пайке изде­

в швах образуются фазы с высокой микротвер­ достью. Получить пластичные соединения без хрупких интерметаллидных фаз можно при пайке этими же припоями при обеспечении сборочного зазора от 5 до 20 мкм [15].

Для узлов ядерной энергетики хорошим сочетанием коррозионной стойкости в борированной воде при температуре 360 °С и давле­

Zr-24Sn. Используют для узлов ядерной энер­ гетики и припои системы Zr-Ве.Так, дистанци­ рующие решетки ТВЭЛов паяют в вакуумных печах с индукционным нагревом при темпера­ туре 980 °С припоем Zr-5Be или при темпера­ туре 1030 °С припоем состава (в %): 93Zr-5Be- 2Sn. Эти соединения также имеют высокую коррозионную стойкость.

Пайку циркония без барьерного покрытия производят и самофлюсующими серебряными припоями.

Для предотвращения растворения цирко­ ния припоями, вступающими с ним в активное взаимодействие, применяют промежуточные барьерные покрытия. В этом случае использу­ ют никелевое покрытие, которое имеет удовле­ творительное сцепление с цирконием при ус­ ловии предварительного травления поверхно­ сти детали в водных растворах фторида аммо­

крытию можно производить всеми легкоплав­ кими припоями, смачивающими никель, и вы­ сокотемпературными, но с температурой пай­ ки, не превышающей 900 °С, так как уже при температуре 960 °С образуется легкоплавкая эвтектика.

При пайке циркония припоями на основе серебра по никелевому барьерному покрытию

10 - 8294

9. Припои для пайки циркония

обеспечиваются вакуумная плотность и предел прочности паяных соединений до 200 МПа.

Для работы паяных соединений циркония при высокой температуре применяют более тугоплавкие барьерные покрытия, например ниобий. Пайку по ниобиевому покрытию про­ изводят при 1000 1200 °С припоями систем Zr-Ni; Zr-Ni-Pd; Ti-Pd и др. При пайке цирко­ ния с ниобием, танталом, молибденом и гафни­ ем без нанесения барьерного покрытия приме­ няют припои систем Zr-V, Zr-Co и др. (табл. 9). Соединения, паянные этими припоями, обеспе­

ПАЙКА ТАНТАЛА

Тантал среди других металлов выделяет­ ся исключительной химической стойкостью в сильных кислотах и расплавах щелочных ме­ таллов, а также рядом других свойств. Он име­ ет Гпл = 2996 °С, плотность 16,6 г/см3, в отли­ чие от вольфрама и молибдена обладает пла­ стичностью. Тантал промышленной чистоты в отожженном состоянии при 20 °С имеет предел прочности а в = 420 МПа, относительное удли­ нение 5 = 25 %; при 980 °С сгв = 140 МПа. Тем­ пература пластично-хрупкого перехода для тантала лежит ниже -196 °С.

Кроме чистого тантала, в промышленно­ сти применяют сплавы тантала с вольфрамом, ниобием, гафнием, которые достаточно пла­ стичны. Относительное удлинение этих спла­ вов 6 = 25 30 % (зависит от способа выплав­ ки). Тантал и его сплавы используют в элек-

тротехнике и для изготовления нагревателей в вакуумных печах. Известно также применение чистого тантала и его сплавов с ниобием в хи­ мическом аппаратостроении. При нагреве на воздухе тантал, так же как и ниобий, начиная с 200 300 °С, заметно окисляется. Наряду с окислением происходит диффузия газов в ме­ талл, непосредственно под оксидной пленкой образуется газонасыщенный слой, толщина которого зависит от температуры и времени нагрева.

Тантал интенсивно поглощает газы при нагревании, поэтому при пайке тантала пред­ почтителен вакуум не ниже 1(Г2 Па. В качестве припоев для пайки тантала целесообразно при­ менять, прежде всего, такие металлы, как ти­ тан, ванадий, ниобий и молибден, которые образуют с танталом непрерывный ряд твер­ дых растворов, что позволяет получить высо­ копрочные и пластичные паяные соединения. Из указанных металлов успешно применяют сплав, содержащий 85 % Ti и 15 % Мо, дающий возможность производить пайку при 1850 °С.

Вакуумную пайку танталовых сплавов выполняют припоями на основе титана и гаф­ ния. Например, при пайке сплавов, содержа­ щих (в %): Ta-30Nb-7,5V, применяют припой Ti-34Cr, а для танталовых сплавов Ta-10W и Ta-8W-2Hf рекомендовано несколько составов припоев (в %): Ti-30V-4Be; Hf-15Ti-7Mo; Hf-30Ta-l 1V; Hf-7Mo-6V и Hf-7Mo, которые назначаются в зависимости от условий работы изделия. Так, для работы изделия до темпера­ туры 1972 °С используют припой Hf-7Mo, обеспечивающий при пайке в вакууме при температуре 1512 °С обоих танталовых спла­ вов высокую жаропрочность соединений. Прочность и пластичность соединений можно повысить на 30 40 % за счет диффузионной термообработки при температуре 1978 °С.

Сплав Ta-10W хорошо паяется при тем­ пературе 1305 °С припоем Ti-30V-4Be. Обра­ зующиеся швы имеют пластичную однофаз­ ную структуру, в которой равномерно распре­ делен твердый бериллид титана. Предел проч­ ности соединений на срез при температуре 1655 °С равен 40 МПа. При пайке сплава Ta-10W при температуре 2193 °С припоем Hf-40Ta образуется соединение с температурой распая 2093 °С, а угол изгиба без растрескива­ ния стыкового образца равен 40 60° [15].

Для диффузионной пайки сплава тантала с содержанием 1 % W в качестве припоя при­ меняют чистый титан. Припой в виде фольги

укладывают в места соединений. Пайку произ­ водят в печи при разрежении 1(Г2 КГ3 Па, температура пайки 1760 °С, выдержка 10 мин. Температура вторичного расплавления шва после пайки поддерживалась 2092 °С, времен­ ное сопротивление при растяжении соединений при 1928 °С составляет 16,5 МПа. Для капил­ лярной пайки используют припой на основе тантала с 40 % Hf. Пайку выполняют при 2205 °С

свыдержкой 1 мин. Для пайки тантала при­ меняют припой следующего состава (в %): 20Ta-5Nb-3W (остальное Ti). Пайку этим припо­ ем осуществляют в вакууме 10'3 Па при 1000 °С

свыдержкой 5 мин. Предел прочности соеди­

нения на срез тср = 200 МПа, температура вто­ ричной распайки 2000 °С.

Тантал можно паять по предварительно нанесенному слою серебра. Пасту, состоящую из порошка серебра и связующего, наносят на тантал, после сушки и обжига при 600 °С в течение 1 ч получают прочное сцепление. Об­ работанный таким образом тантал можно па­ ять, например, с медью. Предел прочности соединения достигает 50 МПа. Ввиду того что тантал трудно поддается пайке, его поверх­ ность рекомендуется предварительно покры­ вать никелем или платиной. Пайку покрытых изделий можно вести с применением флюсов, в среде инертных газов или вакууме.

ПАЙКА БЕРИЛЛИЯ

Бериллий - легкий металл (плотность 1,84 г/см3), но имеет высокий предел прочно­ сти (560 МПа) и довольно высокую температу­ ру плавления (1283 °С). Ввиду высокой хими­ ческой активности поверхность бериллия в атмосферных условиях покрывается оксидной пленкой ВеО. Перед пайкой бериллия для уда­ ления оксидов его травят в растворе следую­ щего состава: 450 500 мл ортофосфорной кислоты, 50 55 г хромового ангидрида и 20 25 мл концентрированной серной кисло­ ты. Раствор, подогретый до 50 60 °С, более активно снимает оксидную пленку.

Легкоплавкими припоями бериллий пая­ ют с применением специальных флюсов, со­ держащих фториды и хлориды цинка, аммония или щелочноземельных металлов. Нагрев под пайку осуществляют быстро, поскольку при­ меняемые флюсы быстро теряют свои свойст­ ва. Перед пайкой поверхности желательно лу­ дить. Лужение и пайку производят оловянно­