Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи работы 8
1.1. Современные алюминиевые сплавы, используемые в паяных конструкциях 8
1.2. Современные припои для высокотемпературной пайки алюминиевых сплавов 15
1.2.1. Припои на основе системы Al-Si 15
1.2.2. Припои системы Al-Si-Cu 21
1.2.3. Припои системы Al-Zn 25
1.2.4. Серебряные припои 26
1.3. Сплавы системы Al-Si-Ge и их использование в качестве припоев27
Выводы по главе 1, цель и задачи работы 33
Глава 2. Материалы и методы исследования 35
2.1. Характеристика применяемых материалов 35
2.2. Получение экспериментальных припоев 36
2.3. Методы исследования структуры и физических свойств сплавов ..41
2.4. Исследование технологических свойств припоя 41
2.5. Механические испытания образцов 44
Выводы по главе 2 46
Глава 3. Исследование сплавов системы Al-Si-Ge и определение базовой композиции сплава-припоя 47
3.1. Исследование сплавов системы Al-Si-Ge с содержанием германия до 25 масс. % 47
3.2. Исследование влияния особенностей приготовления сплавов на их структуру и температурные характеристики 66
3.3. Определение базовой композиции сплава-припоя на основе системы Al-Si-Ge 72
Выводы по главе 3 78
Глава 4. Оптимизация состава припоя и оценка его технологических свойств при пайке 79
4.1. Оптимизация состава припоя 79
4.2. Определение технологических свойств припоя при пайке 85
4.3. Исследование структуры, механических и коррозионных свойств паяных соединений, полученных с использованием припоя Ал 10Г91
Выводы по главе 4 97
Глава 5. Изготовление паяных конструкций с использованием припоя Ал ЮГ 98
5.1. Пайка узла теплообменника из сплавов АД 1 и АД31 98
5.2. Ступенчатая пайка узлов волновода 100
5.3. Пайка пластинчато-ребристого теплообменника 105
Выводы по главе 5 107
Общие выводы и результаты работы 108
Список использованной литературы ПО
Приложения 122
- Современные алюминиевые сплавы, используемые в паяных конструкциях
- Характеристика применяемых материалов
- Исследование сплавов системы Al-Si-Ge с содержанием германия до 25 масс. %
Введение к работе
Преимущества пайки как метода соединения деталей широко известны. Применительно к алюминию и его сплавам эти преимущества эффективно реализуются при создании таких сложных конструкций, как теплообменники, волноводы, различного рода устройства приборостроительной техники и др. В настоящее время во многом благодаря работам таких известных ученых, как Старчай Е.И., Суслов А.А., Никитинский A.M., Кургузов Н.В. разработаны технологические процессы, обеспечивающие получение качественных, надежных паяных узлов, отвечающих самым строгим требованиям в части герметичности, прочности и коррозионной стойкости.
Однако занятая пайкой ниша является достаточно узкой и за последние годы номенклатура паяемых узлов из алюминиевых сплавов остается практически неизменной. Более того, в связи с освоением промышленностью технологии пайки тонкостенных деталей из латуни CuproBraze, отмечается тенденция к вытеснению алюминия из такой традиционной области использования паяных узлов, как теплообменники. Хотя в 90-е годы в сотрудничестве с зарубежными компаниями некоторыми предприятиями были освоены новые технологические процессы, в частности пайка с использованием флюсов с низкой коррозионной активностью, проведены исследования по опробованию использования новых алюминиевых сплавов для пайки, припоев, полученных методами сверхбыстрой кристаллизации, в целом необходимо отметить определенную стагнацию в совершенствовании технологии и материалов для пайки, в расширении областей использования паяных узлов из алюминиевых сплавов.
В значительной степени это можно объяснить тем, что в основном для создания паяных узлов используются низкопрочные сплавы АД1 и АМц.
Повышение прочности паяных конструкций за счет использования низколегированных сплавов повышенной прочности позволит значительно расширить область использования паяных алюминиевых конструкций в промышленности. Одним из путей решения этой задачи является снижение температуры пайки за счет использования припоев с более низкой по сравнению с силуминами температурой плавления, обеспечивающих комплекс высоких механических и коррозионных свойств паяных соединений. Использование таких припоев позволит исключить опасность пережога при пайке сплавов системы Al-Si-Mg, уменьшить разупрочнение новых сплавов, легированных скандием и другими переходными металлами.
В связи с этим, задача снижения температуры пайки за счет использования припоев с низкими температурами плавления для получения ответственных паяных конструкций является актуальной.
Научная новизна работы. Установлены физико-химические и структурные закономерности изменения фазового состава сплавов системы Al-Si-Ge в зависимости от содержания компонентов, условий кристаллизации и температурно-временных параметров гомогенизирующего отжига.
Разработан состав припоя системы Al-Si-Ge для пайки алюминиевых сплавов, позволяющий снизить температуру получения паяных соединений с высоким комплексом механических и коррозионных свойств на 20-30 С, по сравнению с припоями на основе эвтектического силумина. Определены величины краевого угла смачивания, площади растекания и капиллярных свойств припоя при пайке алюминиевых сплавов различных систем легирования.
Определено влияние фазового состава разработанного припоя системы Al-Si-Ge на степень технологической пластичности при прокатке, что позволило разработать технологию получения припоя системы Al-Si-Ge в виде тонких листов, фольги, плакирующего слоя, отличающуюся введением дополнительной операции гомогенизирующего отжига перед прокаткой при температуре на 5-Ю С выше температуры солидус сплава.
Установлено, что дополнительное легирование сплава системы Al-Si-Ge церием позволяет существенно уменьшить испаряемость германия в процессе плавки, литья и гомогенизирующего отжига, что способствует стабилизации химического состава припоя.
Практическая ценность работы. Разработана и оптимизирована композиция припоя Ал ЮГ на основе системы Al-Si-Ge, который позволяет получать качественные паяные соединения из алюминиевых сплавов систем Al-Si-Mg и Al-Mg-Sc при температуре пайки до 570 С.
Разработана технология получения припоя Ал ЮГ системы Al-Si-Ge в виде фольги и плакирующего слоя, что позволило повысить технологичность его использования.
Показано, что технологические свойства предлагаемого припоя системы Al-Si-Ge, механические и коррозионные свойства паяных соединений, полученных с использованием данного припоя, не уступают характеристикам эвтектического силумина и свойствам паяных соединений, полученных с его помощью.
Проведено опробование припоя Ал ЮГ во ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», ФГУП «НИИ ТП», ФГУП «НПО Техномаш», ОАО «Радар-ММС» при пайке сплавов различных систем легирования (Al-Mg-Si, Al-Mg-Sc, А1-переходные металлы), с использованием различных способов - бесфлюсовая вакуумная пайка, печная пайка с флюсом, индукционная пайка и пайка горелкой.
Разработаны технические условия на состав и технологические рекомендации на изготовление припоя Ал 10Г.
Реализация результатов работы. Разработанный состав припоев и технология получения паяных конструкций из сплава АД31 прошли опытно-промышленное апробирование на ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», ФГУП НПО «Техномаш», ФГУП «НИИ ТП», ОАО «Радар-ММС».
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на конференциях: 30 и 31 научной конференции «Гагаринские чтения», Москва, 2003 и 2004 г.г.; Международной научно-технической конференции «Славяновские чтения», Липецк, 2004 г. ; Международной научно-технической конференции «Пайка-2004». Москва, общество «Знание», 2004 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве», Москва, 2003 г.; Международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2004», Москва, 2004 г.; на заседаниях кафедры «Технология сварочного производства» «МАТИ»-РГТУ им. К.Э. Циолковского
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, одна статья находится в портфеле редакции журнала «Сварочное производство» (№8, 2006 г.), подана Заявка на охраноспособное техническое решение на состав припоя и способ его получения в виде фольги и плакирующего слоя (Справка о приоритете №2005126095 от 18.08.2005 г.) Объём и содержание работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, изложенных на 122 страницах; содержит 64 рисунка, 24 таблицы, приложения.
Автор выражает благодарность за ценные консультации и помощь в проведении работы к.т.н. Суслову А.А., д.т.н. Осинцеву О.Е., к.т.н. Кургузову Н.В., к.т.н. Еремееву В.В., к.т.н. Белоцерковцу В.В., а также заведующему и сотрудникам кафедры «Технология сварочного производства» «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского д.т.н. Фролову В.А., к.т.н. Фёдорову С.А., Бажанову А.В., к.т.н. Никитиной Е.В., к.т.н. Калупаеву Ю.Ф. и др.
Современные алюминиевые сплавы, используемые в паяных конструкциях
Современные алюминиевые паяные конструкции, главным образом, изготавливают из технического алюминия (АДО, АД1) и термически неупрочняемых сплавов (например, сплав АМц), обладающих допустимой температурой нагрева более 640 С. Предел прочности паяных соединений, выполненных с использованием таких сплавов, как правило, не превышает 80-100 МПа [9,10].
Вследствие этого, для использования в паяных конструкциях большой интерес представляют более прочные алюминиевые сплавы. Но вместе с этим, отличительной особенностью большинства таких сплавов является наличие в структуре фаз, с температурой плавления ниже 640 С. Поскольку в качестве припоя при изготовлении ответственных паяных конструкций обычно используют эвтектический силумин, требующий проведение пайки при температурах 590-600 С, то это накладывает существенные ограничения на ряд алюминиевых сплавов, которые можно использовать для пайки.
Среди известных сплавов с высокими механическими свойствами для использования в паяных конструкций повышенной прочности наибольший интерес представляют сплавы системы Al-Si-Mg (АД31, АВ) и Al-Zn-Mg (1911,1915,1935).
Допустимая температура нагрева сплавов системы Al-Si-Mg определяется температурой начала плавления фазы Mg2Si, которая составляет 595 С [11].
Температура солидус сплавов системы Al-Zn-Mg зависит от процентного содержания цинка и снижается при его увеличении. В связи с этим интерес для использования в паяных конструкциях проявляется к использованию сплава 1935, степень легирования которого меньше, по сравнению со сплавами 1911 и 1915 [12-14]. При этом отмечается также, что для сплавов данной системы характерны проблемы, связанные с высокой испаряемостью цинка при нагреве под пайку. В результате на поверхности таких сплавов возможно образование пузырей, что требует использования процессов пайки, характеризующихся короткими термическими циклами или использования сплавов, плакированных припоем. За рубежом широкое распространение для изготовления паяных конструкций из этих сплавов получила печная пайка по способу Nocolok в атмосфере N2 с использованием флюсов с низкой коррозионной активностью на основе фторалюминатов калия (например, флюс Nocolok Cs,TnjI.= 558..566 С).
Характеристика применяемых материалов
Для получения экспериментальных сплавов и припоя использовался чистый алюминий (А99, ГОСТ 11069-74), технический кремний (Kpl, ГОСТ 2169-69) и германий поликристаллический (ГОСТ 16154-80).
При проведении экспериментов по опробованию припоев в качестве основного материала использовались сплавы системы Al-Si-Mg АД31 (ГОСТ 4784-97), Al-Mg-Sc - 01515 и 01523 (ТУ 1-809-420-84), а также сплав 01419 системы А1-ПМ (ТУ 1-809-680-96), получаемый методом порошковой металлургии (табл. 2.1).
Исследование технологических свойств припоя проводилось методом воздушной пайки в лабораторной печи типа СНОЛ с использованием флюса 34А (ТУ 48-4-229-72) (табл. 2.3).
Таблица 2.3
Химический состав флюса 34А Состав флюса, % Температурный интервал активности, С
КС1 LiCl ZnCl NaF другие компоненты 54..56 29..35 8..12 9..11 — 420..620
Отмывка от флюса после пайки осуществлялась механическим путём в холодной проточной воде.
Бесфлюсовая пайка проводилась в вакуумной печи КВН-2 в присутствии паров магния при степени разряжения 10"4-10 5Па. Магний в зону пайки вводился в виде легирующего компонента припоя (01315) и закладывался в виде навески сплава АМгб в печь (при использовании предлагаемого припоя).
Получение экспериментальных припоев
Изготовление слитков экспериментальных сплавов осуществлялось путём сплавления легирующих элементов в лабораторной шахтной печи с силитовыми нагревателями с использованием графито-шамотного тигля (рис. 2.1).
На стадии изучения влияния процентного содержания германия на фазовый состав и температурные характеристики сплавов системы Al-Si-Ge, получение слитков осуществлялось путём добавления легирующих элементов в эвтектический силумин (А1 +12 масс. % Si). Исходную лигатуру А1-12 % Si получали путём сплавления чистого алюминия (А99) и кремния (Kpl). С целью полного растворения лигатур расплав выстаивался и периодически перемешивался в течение 30 мин. Литьё расплава проводилось в медную изложницу (рис. 2.2,а) при температуре Т = 700 С. В результате были получены слитки сплавов в виде палочек, длиной 100 мм и диаметром 10 мм (рис. 2.2,6).
При изготовлении опытных партий припоя литьё производили в плоскую медную изложницу, с получением слитка 200x300x20 мм. После литья слиток подвергали высокотемпературному отжигу по разработанным режимам.
Получение припоя в виде тонких листов, фольги и плакирующего слоя производили на станах ДУО-260 и ДУО-300 (рис. 2.3) путём горячей прокатки со степенью деформации 90-95 % и последующей холодной прокаткой до требуемой толщины. Перед прокаткой слитки подвергали механической обработке (обрезка литниковой части, фрезерование граней слитка).
Для получения листов из сплавов АД31, 01515, 01523, плакированных припоем, осуществляли сборку пакета припой-основной материал в соотношении толщин 1:10 соответственно (толщина припоя составляла 0,2 мм, толщина листа основного металла - 2,0 мм). Процесс плакировки производили путём горячей прокатки пакета со степенью деформации при первом проходе порядка 40-45 %.
Общее время технологических нагревов листов из сплавов 01515 и 01523 (системы Al-Mg-Sc) в процессе горячей прокатки ограничивали 30 мин.
Качество плакировки оценивалась визуально и путём металлографического исследования прокатанного листа на световом микроскопе Neophot-2.
Исследование сплавов системы Al-Si-Ge с содержанием германия до 25 масс. %
На первом этапе исследований, в соответствии с теоретической диаграммой состояния Al-Si-Ge, с целью определения составов припоя для пайки были выбраны составы 8 сплавов, с различным содержанием кремния и германия. Шесть составов соответствуют эвтектическим сплавам (сплавы № 1-6, табл. 3.1.) и два сплава имеют доэвтектический состав (№ 7, табл. 3.1) и заэвтектический состав (сплав №8, табл. 3.1) (рис. 3.1). Согласно теоретической диаграмме состоянии ожидаемый диапазон температур плавления выбранных экспериментальных сплавов должен составлять от 505 до 570 С.
Исследование химического состава сплавов показало, что фактическое содержание легирующих компонентов отличается от расчетного, в основном, в сторону меньшего содержания германия (табл. 3.2). Таким образом, фактический состав ряда сплавов не совсем совпадал с эвтектической линией теоретической диаграммы состояния.
Таблица 3.2 Содержание элементов в полученных сплавах и их температуры солидус и ликвидус
На основе анализа микроструктуры и кривых дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) экспериментальных сплавов (рис. 3.2, а-з) было установлено, что действительно с увеличением содержания германия в сплавах системы Al-Si-Ge происходит снижение температуры плавления.
Вместе с этим увеличение содержания германия в сплавах приводит к изменению пиков на кривых ДСК, соответствующих тепловым эффектам при плавлении экспериментальных сплавов.
Исследование сплава с малым содержанием германия (рис. 3.2,а) подтверждает соответствие эвтектическому составу, что характеризуется иглообразным пиком на кривой ДСК. Хотя из анализа микроструктуры видно, что вследствие малого легирования германием, состав сплава близок к эвтектическому силумину.
Дальнейшее увеличение содержания германия в сплаве (рис. 3.2, б и в) приводит к смещению основного пика термического эффекта на кривых ДСК, соответствующего эвтектической реакции, в сторону более низких температур. Причём только при введении в сплав более 8 масс. % Ge (рис. 3,2 в) температура эвтектического превращения заметно снижается, по сравнению с температурой образования эвтектики Al-Si.
При увеличении содержания германия в сплавах (рис. 3.2, г-е) происходит дальнейшее снижение температуры эвтектического превращения. Для сплава, с содержанием германия 24 масс. %, температура эвтектического превращения составляет 533 С, что значительно ниже температуры образования эвтектики в системе Al-Si, но значительно выше температуры образования эвтектики в системе А1-Ge. Исходя из этого, можно сделать вывод, что в системе Al-Si-Ge происходит формирование эвтектики a + (Si,Ge), при этом состав эвтектической фазы (Si,Ge) меняется с увеличением содержания германия в сплаве.
Вместе с этим, анализ кривых ДСК показывает, что с увеличением содержания германия в сплаве наблюдается существенное увеличение температурного интервала плавления сплавов (Тл - Тс). При этом для сплава с 24 масс. % германия, в области температур выше 460 С наблюдается существенный тепловой эффект (рис. 3.2,г).
Исследование микроструктуры образцов показывает наличие двух морфологических типов эвтектик - тонкой и грубой. Причём объёмная доля грубой эвтектики увеличивается с увеличением содержания германия в сплаве. Таким образом, расширение температурного интервала плавления сплавов с высоким содержанием германия, очевидно, связано с появлением двух эвтектик.
С целью изучения состава эвтектик был проведён микрорентгеноспектральный анализ состава эвтектических фаз и первичных кристаллов (сплав N 6 и N 8, табл. 3.2), по морфологии схожих с первичными кристаллами кремния в заэвтектических силуминах. В результате было установлено, что если в составе первичных кристаллов и эвтектической фазы, входящей в состав тонкой эвтектики, присутствует кремний и германий, то эвтектическая фаза, входящая в состав грубой эвтектики, состоит только из германия (табл. 3.3)
