Результат интеллектуальной деятельности: Флюс для пайки алюминия и его сплавов

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при высокотемпературной пайке конструкций из алюминия и его сплавов повышенной прочности.

Известен флюс для пайки конструкционных узлов из алюминия и его сплавов на основе хлористых солей, марки 34А (ТУ48-4-229-77, ОСТ 4ГО.033.200), аналог. Химический состав флюса (масс. %):

Недостатком данного флюса является низкая коррозионная стойкость паяных соединений.

Известен флюс для пайки алюминия и его сплавов марки 124 (Справочник по пайке / под ред. Л.Е. Петрунина. М., «Машиностроение-1», 2003 г., стр. 108), выбранный в качестве прототипа. Химический состав данного флюса (масс. %):

Недостатками данного флюса является низкая технологичность при пайке и низкая коррозионная стойкость паяных конструкций.

Задачей изобретения является создание флюса для пайки алюминиевых сплавов с повышенным уровнем прочностных свойств для использования в высоконагруженных паяных конструкциях, а также расширение номенклатуры применяемых паяных конструкций.

Техническими результатами являются повышение прочности (не ниже 300 МПа) паяных конструкций, обеспечение удовлетворительной коррозионной стойкости и увеличение срока службы изделий.

Указанные технические результаты достигаются тем, что флюс для пайки алюминия и его сплавов, содержащий хлористый литий, хлористый натрий, хлористый калий, хлористый цинк, фтористый калий, фтористый литий, по крайней мере, один компонент из группы, содержащей фторалюминат цезия, фторид цезия при следующем содержании компонентов масс. %:

по крайней мере один элемент из группы, содержащей фторалюминат цезия, фторид цезия при суммарном содержании 1÷10, причем соотношение хлористого лития к хлористому калию должно быть 2:3, соотношение содержания фтористого лития и фтористого калия должно быть 1:1, а суммарное содержание фторидов не должно превышать 15 масс. %.

При пайке алюминиевых сплавов среди основных проблем можно выделить высокую химическую активность алюминия, проявляющуюся в интенсивном взаимодействии с окружающей атмосферой, а также наличие на поверхности сплошной и стойкой оксидной пленки, температура плавления которой около 2050°C.

Основой предлагаемого флюса для пайки алюминия и его сплавов является легкоплавкая эвтектика LiCl-KCl (температура плавления 352°C), которая обладает наибольшей растекаемостью по поверхности алюминия. Расплавляясь и равномерно покрывая поверхность паяемого изделия, данная эвтектика защищает от взаимодействия с окружающей средой и окисления алюминиевой основы. Для обеспечения хорошей жидкотекучести флюса (достаточного количества расплавленного флюса для покрытия области соединения) при температуре пайки содержание хлористого лития должно составлять 20÷30 масс. %, а хлористого калия - 30÷45 масс. %. При большем содержании данных соединений во флюсе уменьшается количество активных компонентов, разрушающих оксидную пленку, и снижаются технологические свойства флюса при пайке. При меньшем содержании данных компонентов количества жидкой фазы может оказаться недостаточным для обеспечения хорошей растекаемости флюса в процессе пайки. Кроме того, для обеспечения наилучших технологических свойств отношение содержания LiCl к KCl должно составлять 2 к 3. Данное соотношение обеспечивает наиболее полный переход этих компонентов в жидкую эвтектическую фазу. При увеличении содержания какого-либо из этих компонентов происходит формирование его излишка, который может вступать во взаимодействие с другими компонентами флюса и увеличивать температурный интервал его активности, что ухудшает технологические свойства флюса.

Введение в состав флюса добавок NaCl позволяет понизить температуру плавления эвтектики LiCl-KCl при сохранении технологических свойств флюса. Для получения легкоплавкой эвтектики содержание хлористого натрия в составе флюса должно составлять 10÷12 масс. %. При большем или меньшем содержании фазовый состав тройной системы становится отличным от эвтектического, что приводит к увеличению температуры плавления флюса.

Добавка хлористого цинка ZnCl₂ способствует разрушению оксидной пленки за счет взаимодействия с алюминиевой основой по следующей химической реакции

2Al+3ZnCl₂=2AlCl₃+3Zn.

Образовавшийся хлористый алюминий при температуре выше 182°C переходит в газообразное состояние и, испаряясь, «надрывает» сплошную оксидную пленку на алюминии, а цинк осаждается на поверхности алюминия и образует жидкую фазу, улучшающую смачиваемость припоем основного материала. Разрушенные остатки оксидной пленки либо уносятся жидким флюсом, либо растворяются во фторидных соединениях.

Увеличение хлористого цинка во флюсе более 15 масс. % нежелательно, поскольку за счет интенсивного растворения алюминия возможна большая эрозия поверхности паяемого материала, а также происходит снижение коррозионной стойкости паяных соединений за счет осаждения в паяном шве большого количества цинка.

Для удаления оксидной пленки на алюминии и его сплавах в процессе пайки наиболее широко используются фториды, которые являются активными компонентами, и в литературе отмечается их способность растворять оксиды алюминия (Никитинский A.M. «Пайка алюминия и его сплавов». М., Машиностроение, 1983 г., стр. 48).

Добавки лития фтористого и калия фтористого в предлагаемом составе флюса позволяют более полно удалять остатки оксидной пленки из зоны пайки, что приводит к улучшению технологических свойств припоя. Оптимальное соотношение содержания фтористого лития и фтористого калия во флюсе должно быть 1:1. Это связано с тем, что данные компоненты обладают достаточно высокой температурой плавления, и при увеличении доли любого из них происходит увеличение температуры начала активности флюса, а также ухудшение его технологических свойств при пайке. При содержании в заданной пропорции данные компоненты образуют легкоплавкую эвтектику, характерную для данной двойной системы.

Добавки фторалюмината цезия (CsAlF₄) или фторида цезия (CsF) служат для обеспечения возможности пайки сплавов типа авиалей, содержащих в своем составе магний. Магний, диффундируя с поверхности паяемого материала при пайке, вступает во взаимодействие с фторидами, входящими в состав флюса с образованием фторидов магния (например, MgF₂, KMgF₃, K₂MgF₄). Фториды, содержащие магний, как правило, обладают достаточно высокой температурой плавления, поэтому их появление препятствует растеканию припоя в процессе пайки и формированию качественного паяного шва. Наличие в составе флюса фторидов, содержащих цезий, позволяет связывать магний в соединения типа CsMgF₃, Cs₄Mg₃F₁₀, которые обладают низкой температурой плавления, находятся в жидком состоянии в процессе пайки и удаляются вместе с основой флюса из области пайки. Наличие во флюсе фторидов, содержащих цезий, более 10 масс. % нецелесообразно, поскольку они обладают высокой температурой плавления и могут увеличивать начало температурного интервала активности флюса. При содержании во флюсе данных фторидов менее 1 масс. % не позволяет исключить формирование высокотемпературных фторидов, содержащих магний.

Суммарное содержание фторидов в предлагаемом флюсе должно быть ограничено 15 масс. %, поскольку при большем содержании также происходит увеличение температурного интервала активности флюса. В результате при пайке становится невозможно использовать конструкционные алюминиевые сплавы и припои с пониженной температурой плавления, которые обычно рассчитаны на проведение процесса пайки при температурах ниже 560÷570°C.

Пример

Для опытной пайки были получены флюсы, составы которых представлены в табл. 1. Состав флюсов контролировался по содержанию исходных компонентов до их смешивания.

Для проведения исследований был также получен флюс, соответствующий составу флюса марки 124 (флюс - прототип).

Исследования по возможности пайки с использованием предлагаемых флюсов проводились на плоских образцах из сплава ТПС-2 (системы Al-Mg-Si-Cu, ТУ1813-011-02066500-2013) толщиной 3 мм. Пайка 7 плоских образцов для каждого из рассматриваемых составов флюса проводилась внахлест в воздушной печи припоем Ал12Г при температуре пайки 560°C, время выдержки - 10 мин.

После пайки образцы отмывались от остатков флюса в ультразвуковой ванне при температуре 40°C, с последующей промывкой в холодной проточной воде.

Из 7 образцов, спаянных с помощью рассматриваемых флюсов, произвольно отбирались 5 на проведение механических испытаний, которые проводились на стандартизованной разрывной машине Instron. Результаты проведенных испытаний представлены в табл. 2.

Для проведения дальнейших металлографических исследований и коррозионных испытаний было выделено по одному из образцов, полученных с использованием рассматриваемых флюсов.

Металлографические исследования проводились на микроскопе типа Olympus GX51. В результате проведенных исследований было установлено, что паяный шов на всех полученных образцах плотный, галтели плавные и ровные, что свидетельствует о качественном формировании паяного соединения при использовании всех рассматриваемых флюсов. Вместе с этим, на образцах, паяных с использованием флюса-прототипа, имеются небольшие темные включения, характерные для остатков оксидной пленки.

Исследования коррозионной стойкости паяных соединений, полученных с использованием рассматриваемых флюсов, проводились по ускоренной методике в парах соляного тумана. Образцы разрезали на две части вдоль и погружали в эксикатор на время проведения исследований. После выдержки заданного времени образцы извлекались из эксикатора, отмывались в проточной воде, и их поверхность исследовалась металлографическими методами. В результате проведенных исследований было установлено, что на образцах, полученных с использованием предлагаемых флюсов, не наблюдается следов коррозионных поражений. На образце, полученном с использованием флюса-прототипа, по границам зерен наблюдается появление очагов коррозии. Таким образом, результаты испытаний показали удовлетворительную коррозионную стойкость паяных соединений, полученных с использованием предлагаемых флюсов.