CC BY
14
Ключовi слова: багатофункцюнальт модиф1катори, низьколегована сталь, модиф1кування, хгмгчний склад, механгчн! властивостг.
Polishko S., Sanin А., Nosova T. Research of complex influence of phosphorus and elements-modifiers on durability and plastic properties 07UT
The influence of multi-functional modifiers on stabilization of chemical composition and mechanical properties improvement of low-alloyed structural steel 07ЮТ was studied. In order to establish the conditions of interaction between the components of multifunctional modifiers melt the coefficients of variation for the establishment ofsystem stability were investigated. Increasing the properties of the modified metal under complex influence ofphosphorus and modifier elements (Ti, Al) on the mechanical properties of steel 07ЮТ is proved.
Key words: multifunction modifiers, the low-alloyed steel, modification, chemical composition, mechanicalprop-erties.
УДК 621.793.3
Канд. техн. наук С. В. Олешенко1, канд. техн. наук Р. А. Куликовський2,
канд. техн. наук В. О. Мартиненко3,С. М. Ющенко1
1 Нацюнальний технолопчний ушверситет, м. Чернтв 2 Запор1зький нацюнальний техшчний ушверситет, м. Запор1жжя 3 Нацюнальний ушверситет кораблебудування 1м. адм. Макарова, м. МиколаТв
СПОС1Б РЕАКТИВНО-ФЛЮСОВОГО ПАЯННЯ АЛЮМ1Н1Ю
Проведено аналiз виробничого досвiду паяння тонкосттних та складних за конф^уращею конструкцш з алюмтю та його сплавiв. Визначено напрямки пiдвищення технологiчностi процесу паяння. Встановлено можливкть високотемпературного реактивно-флюсового паяння алюмтю в печах зарахунок використання прошарку на основi силжату натрт, соляног кислоти тамагнiю.
Ключовi слова: алюмтй, оксидна плiвка, флюс, припой, контактне плавлення, евтектика.
Вступ
При паянт тошюсгшних конструкцш iз алюмшш та його сплавiв чи бшьш складних конструкцш використання ручших способiв паяння з мюцевим нагр!вом не забезпечуе високо! якосп виробiв через розвиток у метал!, що паяеться, значних теплових деформацш. Бшьш доцшьне паяння под!бних конструкцш з загальним на-гр!вом в печах, флюсових ваннах та у ваннах з розплав-леним припоем. Паяння у флюсових ваннах великога-баритних виробiв потребуе велико! кiлькостi флюсу. В ряда випадшв окрiм розчинення металу, що паяеться, в розплавленому флюсi вiдбуваеться ще й ерозiя, котра створюе бiльш суттевий вплив на процес паяння й от-римання як1сних паяних з'еднань.
Паяння у ваннах з розплавленим припоем усклад-нюеться шеобхiдшiстю флюсування мiсць паяння та за-хистом решти поверхшi вш розтiкашшя припою. Тому спосiб паяння в печах, який мае широку ушiверсальшiсть, е оптимальним.
В уах випадках при флюсовому паяшшi технолопч-ний процес паяння повинен передбачати нанесення флюсу та розмiщешшя припою. При цьому шеобхiдшо дозувати к1льк1сть припою, оскшьки його надлишок призводить до його стакання, створення шапливiв, у яких розчиняеться метал, що паяеться, утворюючи шдаизи.
Виробнича практика показуе, що при паяшшi алюмшш та його сплавiв, особливо у великосершному та масовому виробшицтвi, припой вводять плакуванням металу, що паяеться, припоем. Але це не забезпечуе гарантийно! технолоичносп [1].
Флюсування виробiв частiше за все виконують дво-ма способами: порошкоподiбшим флюсом, який нано-сять на мiсце паяння, закриваючи вкладений припой, чи у водяному розчишi флюсу методом занурення. Перший спосiб використовують при паяшшi одиничних i невеликих серiй великогабаритних виробiв, другий -при крупносершному та масовому виробшицтвi. При флюсувашшi штучних виробiв великих розмiрiв другим способом необхадний великий об'ем флюсувального розчину для занурення виробiв i велик! витрати флюсу, при чому за дшчими виробничими шструкщями до-пускаеться використання водяного розчину флюсу лише протягом обмеженого термiшу, шсля чого вш тдлягае замiшi.
Можливють пiдвищешшя техшологiчшостi процесу паяння юнуе при використашшi реактивно-флюсового паяння, при якому припой утворюеться в результат вiдшовлешшя металу з флюсу чи дисощацп одного з його компонещпв. Однак такому способу паяння притамашшi ва шедолiки паяння легкоплавкими припоями: низька
© С. В. Олешенко, Р. А. Куликовський, В. О. Мартиненко, С. М. Ющенко, 2013
84
мiцнiсть паяних з еднань та низька корозшна стшюсть.
Мета роботи
Метою роботи е розробка способу високотемпера-турного реактивно-флюсового паяння в печах алюмшш.
Аналiз досл1джень та публжацш
Для високотемпературного паяння алюмшш та Иого сплав1в наИчастше використовують силумши завдяки свош високш рщкотекучост (переважно евтектичниИ силумш АЛ2) та припой 34А, яю дозволяють отримувати достатньо мщш та корозшностшю з'еднання (рис. 1).
,МПа
160
120
30
40
О
.— <
с \
\ > \\
\
-473 0 473 IК
Рис. 1. Залежнють мщност при розтягу вщ температури
випробувань [1]: 1 - припой П34А; 2 - припой АЛ2; 3 - техшчний алюмшш
Медь, що мютиться у припо! 34 А, дозволяе знизити його температуру плавлення, але при цьому знижуеть-ся його пластичшсть та збшьшуеться крихк1сть.
Кремнш, що метиться у склад! силушшв, при твердшш евтектики вид1ляеться у вигляд грубих крис-тал1в голчасто! форми, яш вщграють роль надр1з1в у пластичному алюмшш [2]. Для подр1бнення структу-ри та видалення надлишкових кристал1в силумши мо-диф1кують натр1ем, а саме сушшшю солей натрш -67 % МаБ + 33 % №С1. У присугностi натрш ведбуваеть-ся змщення лшш д1аграми стану (рис. 2) 1 заевтектич-ний сплав АЛ2 стае доевтектичним. Евтектика набувае бшьш тонко! структури 1 складаеться з др1бних крис-тал1в кремнш та а- структури, оскшьки у процеа твер-дання кристали кремнш обволшаються птвкою силщи-ду натрш №2Б1, що перешкоджае !х росту. Так1 змши покрашують мехашчт властивосп силумшв.
Д1аграма стану А1-№ [3] характеризуемся дуже не-значною розчиншстю елеменпв один в одному як в редкому, так 1 в твердому стат. Розчиннють № в редкому А1 збшьшуеться вед 0,1% (по май) при 973 К до 0,13 % (по май) при 1073 К. А1 в № в твердому сташ практично не розчиняеться або розчиняеться дуже незначно: 0,003 % (по май) А1 при температур! 932 К 1 близько 0,002 % (по май) А1 при температурах 823-823 К.
5 10 15 20 S¡,%
Рис. 2. Д1аграма стану Al-Si [2]
Дцрама стану Na-Si не побудована. У системi утво-рюеться ряд з' еднань NaxSL КремнiИ у натрш практично не розчиняеться (розчиншсть Si в Na при темпера-Tурi 923 К становить 2,4-10-3 ат. %) [4].
Доевтектичш сплави АЛ4 та АЛ9, додатково лего-вaнi мaгнiем, можуть змiцнювaтися, окрiм модиф^-вання, термiчною обробкою. Змiцнюючою фазою слу-гуе Mg2Si [2].
Дослiдження [5] показали, що при нaпaИцi припоями типу силумш, що мiстять не менше 2 % мaгнiю, у результап окислення магнш та взаемоди Иого з залиш-ками кисню у вакуумованому середовищi на припо! перед розплавленням та на редкому припо! при Иого розпканш утворюеться щшьна оксидна плiвкa MgO. Змочування АМц припоями з 5-10 % Mg вiдбувaеться лише при на^ванш до 903 К, Имовiрно, внаследок ви-соко! щiльностi та товщини пл!вки MgO. Таким чином, введення > 2 %Mg у припо! П34 А та силумш несприят-ливе для напаИки.
Як вказуеться авторами роботи [4], роль магнш зво-диться головним чином до очищення вакуумованого середовища печi та вiдновлення алюмшш з оксидно! птвки. Однак, ведомо, що у систем Al-Mg-Si утворюеться двi евтектики: багата кремшем з температурою плавлення 823 К i багата магшем з температурою плавлення 723 К. Подвшна евтектика Al-Si мае температуру плавлення 850 К. Таким чином, можлив^ь ведення проце-су паяння алюшнш силумiном у парах магнш при тем-перaтурi 833 К тдтверджуе нaявнiсть при цьому контактного твердо-газового плавлення.
Отже, з вищесказаного випливае, що при паянн алю-мiнiю та Иого сплaвiв силумiнaми необхiдно забезпе-чити введення в зону з'еднання натрш та магнш.
За одшею з теорш оксидна плiвкa з алюшнш вида-ляеться внaслiдок утворення в процесi паяння !дкого натрш при взаемоди Иого хлориду з залишками воло-ги, в результап чого утворюеться розчинниИ у водi та флксi aлюмiнaт нaтрiю [1]:
Al2O3 + 2NaOH ^ 2NaAlO2 + H2O.
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2013
85
Як вказуеться в [1], наявшсть вологи, яка завжди мiститься у флюа та на noBepxHi деталей, що паяються, сприяе флюсуванню noBepxHi алюмшш. Волога вноситься разом з виробом, оскшьки вона завжди е на по-вepxнi деталей, що паяються. Пщгрш виpoбiв до 803 К зменшуе юльюсть вологи на поверхш деталей, проте не виключае !! пoвнiстю. Тобто волога присутня у зoнi з'еднання у будь-якому випадку.
На сьогодшшнш день дотримуються тако! точки зору щодо видалення оксидно! плiвки з пoвepxнi алюмшш при паянш флюсами, що не мютять фтopидiв [1]. При на^ванш алюмiнiю та його сплавiв в оксиднш плiвцi утворюються тpiщини внаслвдок piзницi !х Icoeфiцiентiв тepмiчнoгo розширення. В утвopeнi тpiщини проникае флюс, i пpoтiкае peакцiя замiщeння облуджуючого металу в його хлорида алюмшем з утворенням хлористого алюмшш. Облуджуючий метал осаджуеться на поверхш алюмшш, вступае з ним у взаемодш та розчи-няе алюмiнiй з пoвepxнi, «щдмиваючи» оксидну пл1вку. Через деякий час повтстю щдмита пл1вка подабнюеть-ся i переходить у флюс.
Матерiали та методи дослiджень
Дoслiди проводили на зразках з алюмшш марки АД00 poзмipами 8 х 8 х 10 мм. Пiдгoтoвка поверхш зразюв, як1 пiдлягали з'еднанню, полягала у знятп шабером приповерхневого шару товщиною -0,2^0,3 мм i в наступному знeжиpюваннi. На oснoвi викладених вище мipкувань у якосп прошарку використовувалась сумiш складу Na2SiO3-HCl-Mg. Сшввщношення компонента визначалася юльюстю кpeмнiю, що видiляеться в результат! проходження нижче наведених peакцiй i бере участь в утвopeннi евтектичного сплаву Al-Si (88,3 % алюмшш та 11,7 % кремнш мас. %), по ввдношенню до якого магнiй вводиться у кiлькoстi до < 2 %:
Na2SiO3 + 2HCl ^ H2Si2O3 + 2NaC/;
12Na2SiO3 + 6H2O ^ 6Na2Si2O5 + 12NaOH ;
Na2Si2O5 + Al2O3 + 8Mg ^ 2Al + Si + Na2Si + 8MgO;
H2SiO3 ^ SiO2 + H2O;
Al2O3 + 2NaOH ^ 2NaAlO2 i +H2O;
SiO2 + 2Mg ^ 2MgO + Si;
Si + 2Mg ^ Mg2Si;
Mg2Si + 4HCl ^ 2MgCl2 + SiH4 t.
Дoслiджeння проводились у вакуумнш камepi мо-дершзовано! установки УВН-2М-1 при глибинi розрвд-ження 1,33-10-2 Па, тeмпepатуpi 853 К, питомому тиску 0,6 МПа та часi витримки при тeмпepатуpi дoслiджeнь 900 с. Навантаження на зразки створювалось за допо-могою мехашчного приводу типу гвинт-гайка через пружину, що дозволило зафжсувати момент утворен-ня редкого прошарку за показаниями шдикатора годин-никового типу.
Мiкpoшлiфи з' еднань для мeталoгpафiчниx дослвд-
жень виготовляли за стандартною методикою з викори-станням алмазних паст. Травлення зразюв здшснювали в сумiшi плавиково! та азотно! кислот (2:1 об' емних ча-сток). Мiкpoстpуктуpу з'еднань досладжували методом оптично! мiкpoскoпi! на мжроскош МИМ-8. Хiмiчний склад зони з'еднання та дмнок металу, що прилягали до не!, визначали мiкpopeнтгeнoспeктpальним аналiзoм за допомогою растрового електронного мжроскопа JSM-840 фipми «JEOL».
Результата експерименпв
Запропонований нами склад прошарку дозволяе забезпечити легке i тexнoлoгiчнe нанесення його на пoвepxнi деталей, що з'еднуються, i за рахунок клеючих властивостей сумiшi спрощувати складання виpoбiв.
Пepшi спроби по веденню процесу з'еднання алюм-imK> АД00 через прошарок показали утворення шва i дифузшних зон, характерних для паяних виpoбiв (рис. 3).
а б
Рис. 3. Мжроструктура з'еднань:
а - АД00 + АД00 через прошарок, х 300; б - АД00 + прошарок на сталевш основ^ х 900
Методом скануючо! мжроскопп встановлено, що евтектична сумiш, яка утворюеться при видiлeннi вшьно-го кремнш в результат проходження описаних вище реакцш, заповнюе зазор в стику та забезпечуе як1сне формування зони з'еднання (рис. 4).
Характер розподшу кремнш по зон з'еднання вка-зуе на його дифузiю в алюмiнiевi дeталi (рис. 5).
Концентращя eлeмeнтiв безпосередньо у швi за да-ними мiкpopeнтгeнoспeктpальнoгo аналiзу складае 87,65Al - 10,87Si - 1,28Mg - 0,2Na (мас. %).
а б
Рис. 4. Мжроструктура з'еднань за даними електронно! мжроскопи
50
Silicon Ка1
Рис. 5. Характер розподшу кpемнiю по зош з'еднання (мас. %)
На даному eTani дослiджень мiцнiсть з'еднань при випробувант на 3pi3 досягла значення 51 МПа, що скла-дае 82 % вiд мiцностi основного мaтeрiaлу.
Висновки
1. Створено основи технологи високотемпературно-го реактивно-флюсового паяння aлюмiнiю за рахунок використання прошарку системи Na2SiO3-HCl-Mg, який володiе флюсуючими властивостями та дозволяе отри-мати з'еднання на основi евтектики Al-Si.
2. Актуальним завданням дослiджeння даного на-прямку е розробка технолопчних прийомiв ведення процесу паяння алюмшю та сплaвiв на його основ^ як1 дозволять забезпечити eфeктивнiсть видалення оксидно! плiвки за короткий промiжок часу, що особливо важ-ливо при отримaннi прeцизiйних з'еднань.
Перелш посилань
1. Никитинский А. М. Пайка алюминия и его сплавов / А. М. Никитинский. - М. : Машиностроение, 1983. - 192 с.
2. Лахтин Ю. М. Материаловедение и термическая обработка металлов : учеб. / Ю. М. Лахтин ; 2-е изд., пере-раб. и доп. - М. : Машиностроение, 1976. - 407 с.
3. Лякишев Н. П. Диаграммы состояния двойных металлических систем : справочник в 3 т., т. 1. / под общ. ред. Н. П. Лякишева. - М. : Машиностроение, 1996. -С. 176-177.
4. Лякишев Н. П. Диаграммы состояния двойных металлических систем справочник в 3 т., т. 1, кн. 1. / под общ. ред. Н. П. Лякишева. - М. : Машиностроение, 2001. -С. 510-511.
5. Лашко Н. Ф. Контактные металлургические процессы при пайке / Н. Ф. Лашко, С. В. Лашко. - М. : Металлургия, 1977. - 192 с.
Одержано 12.12.2013
Олексиенко С. В., Куликовский Р. А., Мартыненко В. А., Ющенко С. М. Способ реактивно-флюсовой пайки алюминия
Проведен анализ производственного опыта пайки тонкостенных и сложных по конфигурации изделий с алюминия и его сплавов. Определены пути повышения технологичности процесса пайки. Установлена возможность высокотемпературной реактивно-флюсовой пайки алюминия в печах за счет использования прослоек на основе силиката натрия, соляной кислоты и магния.
Ключевые слова: алюминий, оксидная пленка, флюс, припой, контактное плавление, эвтектика.
Oleksienko S., Kulikovskiy R., Martynenko V., Yushchenko S. Method reactive brazing aluminum flyusovoy
The production experience of brazing of thin-walled and compound configuration constructions is analyzed. Ways of brazing manufacturability improvement are defined. The possibility of high-temperature reactive-flux brazing of aluminium in furnaces at the expense of using the sodium silicate basic layer, hydrochloric acid and magnesium is determined.
Key words: aluminium, surface oxide, flux, braze, contact fusion, eutectic.
ISSN 1607-6885 Hовi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2013
87
