Результат интеллектуальной деятельности: Припой для пайки алюминия и его сплавов

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в электронике, электротехнике и приборостроении при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов.

Известен припой на основе алюминия в виде проволоки СвАК10 (ГОСТ 7871-75. Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия), содержащий, мас. %, кремния 7-10, алюминий -остальное

Данный припой в виде проволоки относится к доэвтектоидным сплавам на основе алюминия и кремния, обладает повышенной температурой плавления - 592-612°С, сочетанием низкой пластичности - менее δ=1,0% и высокой прочностью σ_B=190-220 МПа, что снижает его технологичность при изготовлении из него проволоки и при последующем ее применении при пайке различных изделий из конструкционных алюминиевых сплавов.

Наиболее близким к изобретению по составу является припой, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. %: кремний 5-13, медь 1-13,5, цинк 2-10, никель 0,5-4,5, олово 0,1-0,3; по меньшей мере, один элемент из группы, включающей стронций 0,001-0,2, натрий 0,001-0,2, титан 0,001-0,1, ванадий 0,001-0,2; по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы кобальт 0,001-0,8, молибден 0,001-0,8, бериллий 0,001-0,1, алюминий - остальное. При этом суммарное содержание цинка и меди не превышает 15 мас. %, а отношение содержания никеля к меди составляет от 1:2 до 1:4. При вакуумной пайке припой дополнительно содержит магний в количестве 0,1-1 мас. %. (Патент №2596535 РФ, МПК B23K 35/28, С22С 21/02, С22С 21/10, С22С 21/12. Припой для пайки алюминия и его сплавов / В.В. Степанов, В.Н. Мироненко, В.В. Васенев [и др.] (РФ) - №2014147378/02, заявл. 26.11.2014, опубл. 10.09.2016. Бюл. №25).

Данный припой принимаем за прототип.

Известный припой в виде проволоки относится к цинковым силуминам, содержащим 2-10% цинка, который хорошо растворим в твердом алюминии, создает растворное упрочнение, имеет сравнительно высокую плотность и прочность σ_B=192-298 МПа и обладает способностью сохранять прочность, твердость и сопротивление действию знакопеременных нагрузок после кратковременных и длительных нагревов до температур 300-500°С. Кроме того, легирование цинком позволяет снизить температуру плавления припоя до 512-567°С.

Однако использование в составе припоя в качестве легирующих компонентов, как тугоплавких металлов - никеля, кобальта, ванадия и молибдена, так относительно легкоплавких металлов - олова, алюминия, цинка и меди, приводит к увеличению температурного интервала кристаллизации и, как следствие, вызывает снижение литейных свойств и появление склонности к образованию микротрещин при кристаллизации. Кроме того, многокомпонентность состава известного припоя значительно усложняет технологию производства, неизбежно приводит к появлению дендритной ликвации, к неоднородности химического состава и неравномерности физико-механических свойств в объеме получаемых изделий методами литья, что является причиной его низкой пластичности -менее δ=1% и, как следствие, снижает его технологичность при изготовлении из него проволоки, так и при последующем ее применении при пайке.

Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение технологичности при изготовлении припоя в виде проволоки и ее применения при пайке.

Поставленная задача достигается тем, что припой в виде проволоки для пайки алюминия и его сплавов, содержащий кремний, цинк, алюминий, содержит указанные компоненты при следующем содержании, мас. %: кремний - 12±0,3, цинк - 12,5±2,5; алюминий - остальное.

Выбор граничных значений параметров компонентов, указанных в формуле изобретения, обусловлен следующим.

Кремний образует с алюминием эвтектику Al-11,7 Si (мас. %) с температурой плавления 577°С, что позволяет в дальнейшем закристаллизоваться вблизи эвтектической «площадки» легкоплавким фазам эвтектики с участием цинка и сформировать достаточно прочную структуру, способную противостоять усадке до полного затвердевания без образования горячих трещин.

Легирование припоя цинком в количестве 12,5±2,5 мас. % снижает температуру плавления припоя, повышает его жидкотекучесть и обеспечивает оптимальное соотношение значений пластичности и прочности при изготовлении из него проволоки.

Отсутствие тугоплавких металлов и снижение количества легирующих компонентов (с 9 до 2) в составе предлагаемого припоя существенно снизит появление дендритной ликвации, повысит однородность физико-механических свойств в объеме получаемых изделий методами литья, улучшит литейные свойства и существенно снизит вероятность образования микротрещин при кристаллизации. Кроме того, производство известного припоя в виде проволоки будет существенно проще. Все это в совокупности позволило достичь поставленной цели - повысить технологичность при изготовлении припоя в виде проволоки и при последующем ее применении при пайке.

Для получения предлагаемого припоя в виде проволоки были приготовлены композиции, химический состав и свойства которых в сопоставлении с известным припоем приведены в табл. 1 и 2. Припои пяти предлагаемых составов (табл. 1) получали расплавлением алюминиевой чушки АК12 (Al-12Si) и растворением в расплаве цинка. Для сравнительных испытаний использован припой-прототип состава 6 (см. таблицу 1).

При испытании паяных соединений на разрыв было установлено, что повышение содержания Zn уменьшает прочность припоя в виде проволоки, но при этом увеличивается пластичность, что позволяет получать припой в виде проволоки необходимого типоразмера в согласно ГОСТ 7871-75 в отличие от припоя-прототипа в виде проволоки (табл. 2).

Прутковые заготовки из предлагаемого припоя и прототипа диаметром 5,0 мм с химическими составами, представленными в табл. 1, получали методом совмещенного литья и прессования с помощью установки Conform. Далее эти заготовки подвергались гомогенизационному отжигу. После охлаждения данные заготовки перед сортовой прокаткой подвергались резке на прутки длиной по 1 метру. На сортовом прокатном стане изготавливалась квадратная проволока с размерами стороны квадрата 1,1 и 1,3 мм и проволока круглого сечения диаметром 1,2 и 1,4 мм согласно ГОСТ 7871-75. Готовый припой в виде проволоки сматывался в бухты и отжигался при нагреве около 500°С и выдержке в течение 6 часов с последующим охлаждением на воздухе. При этом на поверхности проволоки, полученной из припоев составов 1 и 5, имелись микротрещины и надиры, что не позволило ее использовать при пайке.

Следует отметить, что из припоя-прототипа не удалось получить качественную проволоку на установке Conform. На поверхности проволоки из припоя-прототипа после прессования имелись трещины, что не позволило дальше ее обрабатывать на сортовом прокатном стане.

Полученную проволоку из составов припоев 2, 3 и 4 использовали при пайке волноводов из алюминиевого сплава АД31. Температура пайки припоями составляла 570°С. Визуальным осмотром после пайки установлено, что образцы, паянные припоями составов 2, 3 и 4 в виде проволоки, имеют ровные и непрерывные галтели. Ускоренные коррозионные испытания показали удовлетворительную коррозионную стойкость паяных соединений припоями состава 2, 3 и 4.

Таким образом, предлагаемый припой по сравнению с прототипом позволяет получать из него проволоку необходимого типоразмера в согласно ГОСТ 7871-75, обеспечивает более высокую технологичность припоя в виде проволоки и проведение пайки при температурах не более 570°С, что позволит эффективно использовать предлагаемый припой в виде проволоки для пайки различных изделий из конструкционных алюминиевых сплавов.