info@svartek.ru
Пайка никеля и его сплавов
Никель является одним из важнейших прошенных металлов. Чистый никель имеет высокие предел прочности (σв = 400 … 500 МПа), пластичность (δ = 50 %) и химическую стойкость. Сплавы на основе никеля характеризуются высокими электрохимическим сопротивлением и коррозионной стойкостью, а также повышенными жаропрочностью и жаростойкостью. На чистом никеле при нагреве образуется только один оксид; при легировании никеля хромом, алюминием, титаном и другими металлами образуется комплекс окислов соответствующих металлов. Электрохимические никелевые сплавы типа монель и константан, представляющие собой сплавы никеля с медью и железом, имеют на своей поверхности химически нестойкую оксидную пленку, которая легко восстанавливается в газовых средах, удаляется флюсованием и при высокотемпературной пайке в вакууме разлагается на кислород и металл. Поэтому пайка этих сплавов не вызывает трудностей.
При пайке можно применять припои, флюсы и газовые среды, рекомендованные для сталей и меди. Для пайки никелевых сплавов требуются специальные флюсы, поскольку поверхность сплавов, например никеля с хромом (нихромы), покрыта весьма стойкой оксидной пленкой, содержащей оксиды хрома. При легировании нихрома алюминием и титаном химическая стойкость оксидной пленки возрастает, что влечет за собой ряд затруднений при пайке. Пайка жаропрочных сплавов на основе никеля в восстановительных газовых средах требует тщательной их очистки от остатков кислорода с помощью платинового или дунитового катализатора, а также дополнительного осушения до точки росы (-70 °С).
При пайке жаропрочных сплавов на основе никеля в вакууме или нейтральных газовых средах последние необходимо тщательно осушать с помощью цеолита, перекиси бария или фосфорного ангидрида. Перед пайкой нихромы следует покрывать слоем никеля или меди толщиной 15 мкм, который обеспечивает хорошее смачивание паяемых поверхностей в вакууме и нейтральных средах — без применения флюса.
Для низкотемпературной пайки никеля пригодны оловянно-свинцовые припои, содержащие 40 … 60 % Sn и флюсы, рекомендуемые Для пайки сталей. Для конструкций из никелевых сплавов, работающих при температуре 350 … 500 °С, применяют серебряные припои. Например, для пайки сплавов ХН78Т и ХН77ТЮР рекомендуются следующие составы припоев:
1) 61 % Ag; 28,5 % Сu; 10,5 % Zn (Tпл = 720…746°С);
2) 85 % Ag; 15 % Мn (Tпл = 970 … 980 °С).
Никелевые сплавы типа нихром и монель склонны к охрупчиванию в контакте с жидкими припоями, особенно содержащими серебро, кадмий и цинк. Для предотвращения хрупкого разрушения пайку этих сплавов производят в отожженном состоянии и при отсутствии внутренних и внешних растягивающих напряжений. Для работы никелевых изделий при более высокой температуре пайку их производят припоями систем Ag-Pd-Mn, Pd-Ni, Pd-Ni-Cr и др. Никель и его сплавы практически не подвергаются растворению припоями систем Ni-Mn-Cr, Pd-Ni, Ni-Pd-Ag, Pd-Ni-Cr при пайке до температур 1150 … 1250 °С. Пайка жаропрочных никелевых сплавов палладиевыми припоями может быть осуществлена в вакууме или в аргоне. Пайку припоями Ni-Mn-Cr обычно производят в атмосфере аргона, в смесях Ar + BF3 или Ar + HF. Для кислотостойких и жаропрочных паяных соединений применяют припои на никель-хромовой основе, легированные марганцем, бором, фосфором или кремнием для снижения температуры плавления. При этом припои, легированные марганцем, дают более пластичные соединения по сравнению с нихромовыми припоями типа «Кольманой», легированными бором и кремнием.
Предел прочности на срез соединений сплава инконель, паянного припоем Cr-В, составляет 288 МПа, припоем Ni-P — 91 МПа, припоем Ag-Pd-Mn — 222 МПа. При пайке нихромов жаропрочными припоями с местным нагревом рекомендуется применять флюсы ПВ200 и ПВ201, а при пайке серебряными припоями — ПВ209 и ПВ284Х.
Серебряные и медные припои для пайки жаропрочных никелевых сплавов используют редко вследствие низкой их жаропрочности и коррозионной стойкости. Кроме того, при пайке никеля медью паяемый металл значительно растворяется в припое. Поэтому необходимы строгая дозировка припоя и четкий контроль температуры пайки. Для пайки высоконикелевых сплавов не следует применять припои, содержащие фосфор, алюминий и магний, которые образуют на границе раздела припоя и паяемого металла хрупкие интерметаллидные фазы. При пайке никеля и его сплавов необходимо следить за тем, чтобы применяемые газовые среды не содержали соединений серы, так как при взаимодействии серы с никелем образуется легкоплавкая эвтектика, проникающая по границам зерен и вызывающая охрупчивание металла.
При пайке никелевых сплавов припоями, легированными бериллием и особенно бором, паяемый металл активно растворяется в припое, поэтому необходимо строго соблюдать режим пайки: процесс следует вести с высокими скоростями и без перегревов. Заметному локальному растворению подвергаются никелевые сплавы при пайке их припоями, содержащими кремний, особенно при температуре выше 1200 °С, что приводит также к снижению растекания припоя.
Пайка нихрома, сплава инконель, а также никелевых сплавов, содержащих алюминий и титан, требует применения достаточно активных флюсов. При использовании боридных флюсов при печной пайке вследствие образования легкоплавкой боридной эвтектики Ni-B возможна эрозия основного металла. Поэтому пайку в печах никеля и его сплавов проводят в атмосфере водорода с точкой росы -40 … -70 °С. Сплавы, легированные алюминием и титаном, паяют в вакууме, в смесях нейтральных газов с газовыми флюсами BF3 или NH4C1.
При диффузионной пайке сплава ХН77ТЮР (Ni-Cr) припоем состава, %: Ni-4,5Si-7Cr-3Fe-2B (CM-53) качественные соединения с прочностью до 300 МПа без включений хрупкой боридной составляющей образуются в случае, если пайку вести при Т= 1070 °С и термообработку при Т = 1000 °С с выдержкой до 4 ч, а сборочный зазор соединяемых элементов не должен превышать 0,05 мм.
При пайке никелевого сплава ХН20ТЮ припоем BNi-5 при температуре 1150 °С, выдержке 1 мин и приложении усилия во время пайки 0,5 МПа, термообработке при 710 °С с выдержкой в течение 16 ч образуются соединения без хрупких фаз.
Получение пластичных соединений при пайке жаропрочных никелевых сплавов ХН75МБТЮ, ХН50МВКТЮР, ХН67МВТЮ припоями системы Ni-Si-B возможно также при приложении дозированного усилия на шов в процессе пайки. Под действием давления из зазора удаляется избыток жидкой фазы, а оставшийся в узком зазоре припой кристаллизуется с образованием общих зерен. Этот эффект хорошо проявляется при применении аморфного припоя Ni-Si-B в виде фольги толщиной 20 мкм. При пайке в вакууме 1 * 10-3 Па сплава ХН62МВКЮ (Тп = 1220 °С, выдержка 10 мин) давление на соединяемые детали 0,5 МПа. При минимальном сборочном зазоре (менее 0,04 мм) получаются соединения, равнопрочные паяемому металлу.
Трудности обеспечения капиллярных зазоров 0,03 … 0,15 мм при сборке деталей сдерживает для ряда конструкций из никелевых сплавов применение печной вакуумной пайки. К настоящему времени разработаны материалы и технология пайки изделий со сборочными зазорами до 1,5 мм. Типичным примером является пайка гермовводов и ТВЭлов из никелевых сплавов с зазором 0,5 мм припоем состава Au-18%Ni, обеспечивающего требуемые прочность и герметичность соединений. Для изделий из жаропрочных никелевых сплавов, работающих при температуре 1000 °С, применяют припой ПЖК-1000. Технологической основой широкозазорной пайки никелевыми припоями является применение композиций, состоящих из двух компонентов: легкоплавкого и тугоплавкого, который не расплавляется при пайке. В качестве тугоплавкого наполнителя используют никелевые порошки, сетку, проволоку, стружку. Количество тугоплавкого наполнителя не должно быть меньше 30 % и больше 70 %.
Припой J-8101 (Ni-20Cr-10Si) с температурой пайки 1227 °С фирмы «Дженерал электрик» состоит из смеси 60 % порошка припоя и 40 % порошка чистого никеля. Для снижения температуры пайки до температуры 1170 °С вместо никелевого порошка применяют порошок из сплава Ni-Si-B. Отечественным аналогом припоя J-8101 является припой ВПр11-40Н с температурой пайки 1125 °С. Частицы порошка припоя имеют сферическую форму с размерами частиц до 100 мкм. Припой наносят в зазор в виде пасты. Пайку этим припоем из-за наличия в нем самофлюсующихся компонентов Si и В можно вести в низком вакууме.
Для пайки при температуре 1180… 1210 °С жаропрочных никелевых сплавов применяют припой 6МА, состоящий из механической смеси легкоплавких порошков припоя 5А (Ni-12Cr-8Si-5Fe-0,45B) — 85 % и тугоплавкого порошка молибдена — 15 %. Припой 6МА рекомендован в соединениях с зазором не более 0,5 мм для пайки узлов, работающих в агрессивных средах при температуре 800 °С. Примером применения пайки изделий из никелевых сплавов являются трубчатые теплообменники для ядерной энергетики. При этом оребрение труб проволокой производится индукционной пайкой с использованием германиевых припоев ПЖГ-22 и ПГ-17Н. Пайку труб с трубными решетками производят в вакуумных печах.