автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка технологии пайки разнородных и композиционных материалов

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ Институт электросварки им. Е. О. Патона

0 8 ДВР 1994 На пРавах рукописи

КУЧУК-ЯЦЕНКО Виктор Сергеевич

УДК 621.791.3:669.-419

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПАЙКИ ИНОРОДНЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.03.06 —

технология и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев 1994

Работа выполнена в Институте электросварки им. Е.О.Патона HAH Удойны

Научный руководитель дохтор технических наук

профессор ХОРУНОВ В.Ф. Официальные оппоненты доктор технических наук

профессор Квасницкий В.Ф. доктор технических наук Чередничок В.Т.О

Ведущее предприятие — КПО им. Артема

Направляем Вам для ознакомления автореферат диссертации инженера Кучука-Яценко B.C. Просим Вас и сотрудников Вашего учреждения принять участие в заседании специализированного совета или прислать свои отзывы (1 экз., заверенный печатью) по адресу : 252650, Киев-5, ГСП, ул. Боженко.11, ученому секретарю спецсовета.

Защита состоится 1994 г. на заседании спе-

циализированного совета (К 016.08.01) при Институте электросварки им. Е.О.Патона.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан .91 и/-С7с/ЛГ. 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета канд. техн. наук

.М.НЕСТЕРЕНКОЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Важной проблемой современного ниинострэения является снижение металлоемкости и массы конст-кций при одновременном повышении их технических характери-ик и надежности в работе. Это в числе других решений может 1ть достигнуто за счет использования в конструкциях сочетаний знородных металлов, в частности алюминия со сталью, а также мпозиционных материалов (КМ) с алюминиевой матрицей.

Несмотря на большое число работ, посвященных этой пробле-!, удовлетворительные решения найдены только для отдельных ча-ных случаев. В целом >хе при использовании различных способов арки не удается избежать появления хрупких интерметаллидных 13, снижающих прочность неразъемных соединений.

Насущным требованием сегодняшнего дня является разработ-технологичсского процесса с другими температурно-временными рактеристиками, при которых опасность появления хрупких ин-рметаллидов значительно меньше. Весьма перспективным пропсом в этом отношении является пайка.

Особый интерес представляет совмещение положительных ка-ств пайки и сварки а одном технологическом процессе — пайке с сложением давления нагреве проходящим током, позволяющим ести к минимуму продолжительность термического воздействия I соединяемые материалы. При этом необходим комплексный под-д к разработке технологических процессов, который учитывал бы 1зические свойства соединяемых материалов и изменение этих ойств при воздействии термодеформационного цикла.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка технологии пайки сплавов на осте алюминия со сталью и композиционных материалов с атоми-!евой матрицей. Для достижения этой цели необходимо было ре-ить следующие задачи.

1. Исследовать особенности формирования сталеалюминие-»х паяных соединений с использованием припоев на основе олова, жка и алюминия при пайке с приложением давления.

2. Исследовать влияние параметров процесса пайки на фор-чрочание паяных соединений алюминия с нержавеющей сталью.

3. Произвести расчетную оценку значения тепловложения при >йке волокнистых КМ, обеспечивающую предотвращение образо-1ния хрупких интерметаллидных фаз.

4. Разработать технологию и оснастку для пайки ферменных •нструкций из волокнистых КМ.

5. Определить оптимальные режимы пайки листовых, труб тых и стержневых волокнистых КМ.

6. Исследовать особенности формирования паяных соедш ний из дисперсноупрочненных КМ между собой и с алюминие! ми сплавами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. 1. Изучены особенности формирован соединения алюминия с нержавеющей сталью при пайке с прило) нием давления припоями на основе олова/цинка и алюминия.

Установлено, что в случае использования припоев на оснс алюминия образуется сплошная интерметаллидная прослойка, ко рая значительно снижает прочность паяных соединений. Припои основе олова не обеспечивают достаточной прочности паяных с< динений. Припои на цинковой основе позволяют получать рав1 прочные соединения благодаря разрушению интерметалл ид н< слоя во время пайки с приложением давления.

2, На основе экспериментальных данных установлено, что п твердо-жидком взаимодействии припоя на основе цинка с нержа! ющей сталью на стадии облуживания под слоем интерметаллида < разуется легкоплавкая структурная составляющая на цинковой I нове, обогащенная как элементами нержавеющей стали, так и п| поя. При пайке с приложением давления она способствует разруи нию интерметаллидного слоя, что повышает прочность паян соединений.

3. Разработан и исследован технологический процесс пай волокнистых, листовых, трубчатых, стержневых и дисперсноупр* ненных КМ с алюминиевой матрицей, позволяющий получать I дежные соединения без разупрочнения основного материала. Пр< ложена схема расчета оптимального значения тепловложения п пайке волокнистых КМ, позволяющая избежать образования хр} ких интерметаллидных фаз на границе алюминиевая матрица - I мирующее волокно.

На защиту выносятся следующие положения работы. х 1. Особенности формирования соединений алюминия, па) мых пропоями на основе олова, цинка и алюминия с приложение давления и нагревом проходящим током; выбор системы припоя.

2. Результаты исследований влияния давления на формиро! ние и прочность паяных сталеалюминиевых соединений и соедш ний из листовых КМ.

3. Результаты расчетной оценки оптимального значения тс ловложения при пайке листовых волокнистых КМ, позволяющего *

•кать образования хрупких интерметаллидных фаз на границе оминиевая матрица - армирующее волокно.

4. Технология пайки дня производства ферменных конструк-й из трубчатых и стержневых КМ с алюминиевой матрицей, арми-ванной волокнами бора (А1/В).

5. Особенности формирования паяных соединений из диспер-оупрочненных «СМ между собой и с алюминиевыми сплавами.

6. Примеры практического применения разработанной тэх-логии.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе использованы совранные методы и методики оптической и растровой микроскопии, нтгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов, зличные стандартные методы определения прочностных свойств единений.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ^ОТЫ. На основании проведенных исследований особенностей ¡рмнропзния сталезлюминиевых паяных соединений рско.мендо-иа система припоев и режимов пайки с приложением давления, еспечпзающие получение равнопрочных соединений. Полученные зультаты использованы при разработке технологии пайки посуды нержавеющей стали с алюминиевым теплорзспределительиым шщем. Для серийного производства такой посуды была сконструи->вана специальная установка.

Разработанная технология пейки листовых, трубчатых и стор-¡евых волокнистых КМ с алюм^киееей матрицей позволяет получать : надежные соединения без разупрочнения основного материала, что »актичсски недостижимо при использовании других мотодоз ссвди-!ния. По этой технологии, о частности, изготовлена опытная партия im спортивных гоночных велосипедов из КМ AI/B, которые по сво-1 весовым и прочностным характеристикам превосходят произоо-|щиеся в настоящее время в мире. Сейчас рамы проходят комплексе дорожные и стендовые испытания. •

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертацион->й работы докладывались на конференции «Теплофизика техноло-¡ческих процессов» (Тольятти, 1988},. на международной конферем-1и «Достижения □ соединении новейших конструкционных мате-1алоо» (Монреаль, 1990), на втором международном ...симпозиуме Новые материалы для индустрии будущего» (ToKtfci, 1991), на »етьеп международной конференции «Пайка,высокотемпературная зйка и диффузионная сварка» (Аохон, 1992), на четырнадцатой еждународной конференции «Расширяющиеся горизонты с нооы-

з

ми материалами и процессами» (Бирмингем, 1993), на 39-й меж/ нородной конференции «Новые материалы» (Анахейм, Калифе ния, 1994).

Диссертационная работа в целом обсуждалась на технолог ческом семинаре ИЭС им. Е. О.Патона(1994).

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано ! печатных работы и получено 3 авторских свидетельства.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа с стоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка использ ванной литературы. Работа содержит 165 страниц, в тсЗи числе 11 страницы машинописного текста, 45 рисунков, 22 таблицы и библ ографию из 130 наименований.

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность выполненной раб ты, сформулированы цель и задачи исследований, научная новиз! полученных результатов и их практическая ценность, положена выносимые на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведен анализ современного состояв вопроса соединения алюминия со сталью и композиционных мат риалов.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ представлены результаты исследован! особенностей формирования сталеалюминиевых соединений п| пайке с применением давления припоями на основе олова, цинка алюминия.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ изложены результаты исследований вли ния параметров пайки с применением давления и нагревом прох дящим током на механические свойства соединений волокнистых дисперсноупрочненных КМ с алюминиевой матрицей.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ описаны особенности технологии па ки с приложением давления и нагревом проходящим током. Показ ны возможности практического применения разработанной техн логии. .

В ОБЩИХ ВЫВОДАХ сформулированы основные результа1 работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Несмотря на то, что проблема соединения стали и алюмиш возникла давно, до настоящего времени ее удовлетворительного р шения не найдено. Основное препятствие при получении прочнь сталеалюминиевых соединений заключается в том, что железо алюминий при твердо-жидком взаимодействии образуют хрупк» интерметаллидные фазы, которые значительно снижают прочное!

¡единений. Кроме этого, физико-химические свойства стали и алю-1ния резко отличаются, что значительно снижает эксплуатациен-je характеристики соединений, а в ряде случаев может привести к [непроизвольному разрушению.

Соединение этих металлов осложняется также наличием на шсрхности алюминия сплошной оксидной пленки, имеющей прочло сцсплзния с металлом и высокую химическую стойкость и прочить. Поэтому для получения соединений алюминия со сталью ¡овлетпсритсльного качества необходима разработка технологиче-:их приемов и материалов, позволяющих исключить или свести к 1нимуму образование в них интерметаллидоз и обеспечить удале-ie оксида соединения из зоны соединения.

При этом необходимо учитывать, что влияние интерметаллид-jx и оксидных прослоек на прочность соединения начинает сказы-1ться при толщине 3,0 мкм и пыше. Кроме этого, на прочность окатает влияние сплошность прослоек. Сплошной, монолитный ин-■рметаллидный слой заметно ухудшает прочностные ссойства сселения, чего практически не наблюдается а случае раздробленной

50СЛ0ЙКИ.

Для соединения стали и алюминия применяют широкий арсо-!Л способов СЕЗрКИ, КОТОРЫЙ ОКЛ.'О'ШЗТ дугосуго, диффузионную, 'Онием, взрывом и др. КзхздыП из них пмозт спои достоинства н но-ютатки и поэтому ни один не являзтея универсальным.

Практически при ссс;: видах ссзрки алгогтинпя со сталыо тсм-¡рзтурно-оременнеп цикл такоз, что игСежзть поползнил рпезитых (торметаллидных слоез нспос:ло;:шо.

Подобная проблема возникает и при спзрко Ш с алюминие-!й матрицей, армированной волокнами стали или Сора. Эти мзте-!алы в последнее время находят осе более широкое применений о ■кетнем и авиастроении благодаря споай высокой прочности, ;::сст-сти и малой массе. '

При нагреве КМ и:ггермоталлидныо фазы образуются на грз-ще алгаминиеаал катрица-армирующеэ волокно, что присодит к ¡зупрочненшо композита. .

Предотвратить или ограничить, образованна интермоталлид-IX фаз можно путем снижении температуры и сокращения продол-ггельиости протекания процесса.

Выполнений этих условий в наибольшей степени реально при пользовании процессов пайки. Существующие способы пайки гоминия со сталью можно условно разделить на пайку по покрытм-i и флюсовую пайку.

' <> ' - . • •

На основе анализа научно-технической и патентной литера ры, а также предварительно проведенных экспериментов для сое; нения алюминия со сталью нами предложен способ пайки по покр тиям с приложением давления и с нагревом проходящим токе Преимуществами этого способа являются высокая скорость нагре и возможность оказывать воздействие на формирование паяного ( единения с помощью давления.

В качестве технологических покрытий были исследованы п[ пои на основе олова, цинка и алюминия с целью определения осг вы припоя, наиболее приемлемого для выбранного способа пайку

В экспериментах паялись образцы из алюминиевого спла марки АД-1 и нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.

Выбор этих сплавов обусловлен тем, что применение по; бных разнородных соединений позволяет максимально исполь: вать преимущества, свойственные каждому из металлов, — высок; жаропрочность, твердость, коррозионную и химическую стойкое нержавеющей стали с малой плотностью и высокой теплопровода стью алюминиевого сплава.

Эксперименты проводились по следующей схеме: вначале с разцы с помощью газопламенного нагрева покрывались припое причем на стальные образцы припои наносились с использована флюсов, а на алюминиевые — абразивным способом.

Затем производилась пайка образцов с приложением давлен на установке для точечной контактной сварки марки МТ-1818. Д обеспечения высокой скорости нагрева до температуры пайки и р< номерного разогрева образцов использовались вкладыши из вью» прочного графита. Это позволило обеспечить локальное тепловлоя кие в зоне пайки и сократить продолжительность лайки до 5.. .8 с.

Образцы, покрытые припоем, и паяные соединения иссле/ вались с использованием методов оптической и электронной микр скопии, микрорентгеноспектрального и рентгеноструктурного af лизов. Проводились также механические испытания паяных сое; нений на разрыв.

В экспериментах по пайке припоем на основе алюминия ч пользовался силумин с массовой долей кремния 13 %. Для струк! ры полуды на стали характерно наличие сплошного интерметаллу ного слоя и отдельных кристаллитов в полосе, прилегающей к и терметаллиду, на базе тройного соединения Fe-Al-Sl, легирована го никелем и хромом. В полуде на алюминии интерметаллидных ф не обнаружено. После пайки химическая неоднородность и стр} турные составляющие на границе соединения изменялись несуа 6

венно. Сплошность- интерметаллидной прослойки не нарушалась, вдоль нее со стороны стали образовались многочисленные тре-1ны, что также снижает прочность соединения. Максимальная очность соединений на разрыв составила 30 МПа, что явно неу-влетворительно.

Необходимо отметить, что из-за высокой температуры плавле-1я силумина (577 °С) максимальное давление, прикладываемое к разцам, ограничивалось 5 МПа, т.к. при более высоких давлениях чиналась пластическая деформация алюминиевых образцов. Поэму эффективно воздействовать на формирование паяного соединил с помощью давления не представляется возможным.

В дальнейших экспериментах использовались более лепсо-авкие припои.

Был, в частности, исследован припой на основе олова с добавим никеля и германия (93 % Бп; 5 2 % N1) для повышения ючности, коррозионной стойкости и улучшения растекания.

Установлено, что в переходной зоне на границе стали со сло-I полуды образуется слой интерметаллидной фазы РеБп2. Ширина о колеблется в пределах 5 мкм.

Микроструктура собственно слоя полуды представляет собой »трицу на оловянной основе, содержащую включения фазы на осте соединения никеля й германия.

В слое полуды на алюминиевом сплаве образования интермэ-ллидных фаз не наблюдается. Микроструктура шва соединения, паянного на небольших давлениях ¿цо 5 МПа), аналогична микро-руктуре слоев полуды.

При пайке на более высоких давлениях 10...30 МПа формиру-ся паяное соединение, имеющее развитую диффузионную зону в 1Юминиевом сплаве, ширина которой составляет примерно » мкм. При этом зафиксирована преимущественная диффу-1я олова в алюминий.

В процессе пайки происходит выдавливание легкоплавкой 1ставляющей припоя, что приводит к уменьшению ширины шва > 15 мкм и повышению прочности соединения.

Кроме того, увеличение давления способствует раздроблено гнтерметаллидной фазы, что°гакже благоприяствует повышено прочности.

Механические испытания паяных соединений на разрыв покали, что при пайке на давлейиях (1...5 МПа) максимальная проч->сть составляет 25...30 МПа, а на больших — 35.. .40 МПа, что соот-¡тствует прочности припоя.

Таким образом, припои на оловянной основе люжно прим нять для получения паяных соединений алюминия со сталью па кой с приложением давления, но только в изделиях и узлах, раб тающих при небольших нагрузках и имеющих большую соединя мую поверхность. Припои на основе цинка и^еют существен более низкую температуру пайки, чем алюминиевые, и обеспеч еают значительно более высокую прочность, чем оловянные. Д^ экспериментов был выбран припой марки П-425 следующего с става : 6(Г% 2п, 20 % Л1, 15 % Си. Этот припой имеэт сравнител но невысокую температуру плавления — 425 °С, обладая при этс высокой прочностью (до 300 МПа).

На сталь припой наносился при температуре 551...570 °С с и пользованием хлоридно-фторидного флюса, а на алюминий — абр зивным способом при температуре 450.. .460 °С.

Слой полуды на АД-1 обогащается алюминием. На контак ной границе алюминия с припоем кристаллизуется твердый растсс на основе алюминия. В диффузионной зоне алюминия отмечеь преимущественное накопление цинка.

При облуживании нержавеющей стали химический состав пр поя изменяется незначительно. В переходной зоне вдоль грании со сталью образуется слой интерметаллида на оснозе ЯеА1з. Толщ на интерметаллидного слоя при продолжительности облуживания < 10 до 30 с не превышает 5 мкм. На некоторых участках под слое интерметаллида наблюдается новая легкоплавкая структурная с ставляющая в виде подслоя, отделяющего интерметаллид от стали

Образцы паялись при различных значениях давления — от 0 до 30 МПа. При минимальном давлении (0,1 МПа) микроструктур и химическая неоднородность на границах соединения аналоги на таковым в полудах.

Представляется интересным проведение сравнительного ан лиза распределения элементов на участках соединения с подслое и без него. .

Согласно ходу кривых распределения и анализа химическо! состава микрообьемов, на участке без подслоя в переходной зо* идет равномерное снижение содержания Элементов стали и увел| чение количества алюминия. Массовая доля цинка и меди в инте| металлидном слое незначительна. Ширина переходной зоны на гр нице со сталью составляет 6. .7 мкм. На участке с подслоем ишри* переходной зоны заметно больше 12.. .15 мкм. Анализ химичесю го состава на участке, где подслой получил развитие, свидетельств ют, что в основу подслоя входят такие элементы, как 2(\, Си, Ре, с н\ 8 ■••-.

юльшими добавками Сг и Ni, Al. Ход кривых распределения эти цементов характерен для эвтектики. Можно предположить, что |ри облуживании п£д слоем интерметаллида образуется структур-1ая составляющая, представляющая собой низкотемпературную 1втектику. Прочность соединений на статический разрыв состави-ia 45...50 МПа.

При давлении 30.. .40 МПа в соединении отсутствуют четко выжженные границы шва, так же как и сплошная интерметаллидная фослойка на границе со сталью. В области шва наблюдаются окружные частицы и образования неправильной формы, которые представляют собой фазу на Fe-Al основе и являются, по всей видимо-;ти, осколками разрушившегося интерметаллидного слоя.

Таким образом, появляющийся в процессе облуживания лег-:оплавкий подслой и давление, прикладываемое к образцам в провесе, пайки способствуют разрушению сплошного интерметаллид-юго слоя, что повышает прочность паяных соединений, т.к. раз-деобленная интерметаллидная прослойка практически не оказыва-5т влияния на прочность соединений. В этом случае- прочность» заяных соединений на разрыв близка к прочности алюминиевого ¡плава й составляет 78..,80 МПа.

На основе проведенных экспериментов можно сделать вывод, »то для способа пайки с приложением давлениям наиболее целесообразно использовать припои на основе цинка.

Представилось целесообразным использовать описанный aune способ пайки и припой для соединения листовых КМ с алюмини-звой матрицей, упрочненной волокнами стали или бора.

Эти материалы обладают комплексом уникальных свойств. 3 таблице приведены некоторые характеристики этих композитов и нескольких традиционных конструкционных материалов.

Различные способы сварки мало пригодны для соединения КМ, г. к. приводят к их разупрочнению. Кроме того, получить прочные стыковые соединения из волокнистых КМ очень сложно, поскольку соединять встык волохна композита практически невозможно.

Наиболее перспективно использование нахлеСточных и телескопических паяных соединений. Так как в формировании подобно- . го рода соединений участвует в основном алюминиевая матрица КМ, то присадочные материалы для пайки алюминия и его сплавов могут успешно применяться для пайки КМ. Нами был исследован процесс бесфлюсовой пайки с приложением давления КМ с алюминиевой матрицей припоем на цинковой основе.

Характеристики Титан ВТ-20 Нержавеющая сгаль12Х18Н10Т Алюминиевый сплав Д16(Т) КМ (Al/нержавеющая сталь) KM (AI/B)

св, МПа 950...1150 600...700 . 450. ..500 1100...1200 1200...1500

Е, ГПа 80...100 200...220 69...70 90...100 280...300

р, г/см} 4.3 7,8 2,7 5.0 2,5

Технологический процесс, как и в случае пайки алюминия со сталью, осуществлялся в два этапа: сначала образцы из КМ покрывались припоем методом абразивного лужения, а затем паялись внахлест с нагревом проходящим током и с приложением давления на установке для точечной контактной сварки.

Получение качественных соединений волокнистых КМ в большой степени зависит от оптимального тепловложения в паяемое изделие. Выполнение этого условия обеспечивает сохранение стабильности границы матица-волокно и структуры КМ.

Поэтому путем сравнения расчетных оценок значения тепло-вложения с температурно-временными условиями образования хрупких интерметаллидных фаз на границе матрица-волокно, был определен от'имальный диапазон значений тепловложения, в котором эти фазы не образуются.

Так, например, для КМ системы алюминий-волокна нержавеющей стали толщиной от 0,7 до 2,0 мм оптимальные области значений тепловложения находятся в ппеделах 1478 Brs Ws 638 Вт. Практическая проверка показала, что в соединениях, запаянных на режимах, соответствующих расчетному значению тепловложения, образования интерметаллидов не происходило.

Припой наносился на образцы с помощою газопламенного нагрева. При облуживании необходимо учитывать, что температура процесса должна быть ниже температуры плавления композита на 80...100 °С, т. к. при более высокой температуре возможно расслоение КМ. Установлено, что оптимальной является температура облу-живания 450.. .470 °С.

Пайка образцов производилась при различных значениях давления и температуре 500.. .520 °С. Приложение давления в процессе пайки способствует удалению излишков припоя из зоны спая и сближению наружных слоев армирующих волокон.

Установлено, что максимальная прочность паяных соединений обеспечивается в том случае, когда расстояние между наружными слоями армирующих волокон будет соизмеримо с расстоянием меж-

ду слоями волокон. Этот результат достигается при значениях давления 15...20 МПа.

При более высоких значениях давления (30...40 МПа) наблюдается пластическая деформация матрицы композита и появляются трещины в борных волокнах, что приводит к разупрочнению основного материала.

Кроме листовых конструкций, КМ (AI/B) находит применение в производстве облегченных силовых ферменных узлах, применяемых в космическом и авиастроении, состоящих из трубчатых или стержневых элементов. Из КМ (А!/В) изготавливают трубы 0 10.. .100 мм и' стержни 0 6. ..10 мм.

При создании ферменных конструкций основной проблемой является соединение труб и стержней между собой. Для решения этой задачи предложен способ пайко-сварки, суть которого заключается в следующем. Вначале на концы трубок или стержней из КМ и на законцовки из алюминиевого сплааа абразивным способом наносится припой. Затем законцовки припаиваются к элементам из КМ. После этого производится окончательная сборка фермьнной конструкции с использованием аргоно-дуговой сварки. Припайка закон-цовок осуществляется на прессе для контактной сварки марки К-602 с модернизированным электродным узлом. Конструкция узла позволяет производить пайку цилиндрических изделий с объемным обжатием (рисунок).

Трубки или стержни из КМ вместе с законцовками устанавливаются в электродный узел. После обжатия деталей через них пропускают мощные импульсы тока. Разогрев зоны соединения до температуры пайки (500.. .520 °С) происходит в основном косвенно от вкладышей из нержавеющей стали, имеющих высокое электросопротивление. При такой температуре и давлении 20...25 МПа начи-

Модернизированный электродный узел машины К-602 для рельефной сварки : 1 — труба из КМ; 2 — законцовка из алюминиевого сплава; 3 — технологическая втулка; 4 — верхний электрод; 5 — нижний электрод; б -- вкладыш

наетсп пластическая деформация алюминиевой законцовки, плот мое обжатие элемента из КМ и выдавливание излишков припоя и: зоны пайки. Структура соединения имеет сложный фазовый состав На границе соединения кристаллизуется твердый раствор на основ: алюминия, отдельные зерна которого располагаются и о середин* шва. В межзеренном пространстве наблюдается вырожденная зв тактика типа твердый раствор-интерметаллиды, имеющая высокое массовое содержание меди.

Соотношение между отдельными структурными составляющи . ми зависит от режима пайки. Так, например, повышение давлеии; снижает долю легкоплавкой хрупкой составляющей, улучшая механические свойства соединений.

Необходимо обратить внимание на несимметричность диффузионных зон соединения. Со стороны КМ эта зона широкая, что го-сорит об активной взаимной диффузии припоя и основного металла со стороны алюминиевого сплава она заметно меньше.

Частично это можно объяснить влияние: » давления, прикладываемого к образцам в процессе пайки, что, как известно, приводит к ускорению диффузионных процессов. Но это влияние не гложет быть настолько сильным, как с рассматриваемом случае, Более существенную роль, по-видимому, играют особенности теп-лооло;;:ения при пайке..

Проводились механические испытания трубчатых образцов диаметром 30 мм.с напаянными законцовксми из алюминиевого- сплава АМг-6. Статические испытания на разрыв показзли, что при величине нахлестки 17.. 20 мм, разрушение происходит по труба из КМ. Разработанная технология соединения Ш позволила значительно расширить их примекгкиз в форменных конструкциях, в частности в силовых узлах изделий авиационной и космической техники.

Высокие требования к массовом и прочностным характеристикам рам спортивных велосипедов делают целесообразным использовать КМ (А1/В) для их производства. Нами изготовлена рама шоссейного гоночного велосипеда из трубок из КМ (А1/В) с соединительными узлами из сплава АМг-6. Масса рамы составляет 1200 г. Для сравнений, масса самой легкой стальной рамы — 2000 г, а титановой — 1700 г. Наряду с волокнистыми КМ широко применяются дисперсноупрочненные металлокомпозиты с алюминиевой матрицей. По прочности они уступают волокнистым КМ, но значительно дешевле последних.

Нами проводятся работы по созданию технологии пайки дис-песноупрочнеиных частицами SIC КМ между собой и с алюминиевыми сплавами.

Цилиндрические образцы диаметром 30 мм паялись по описанной выше схеме цинковым припоем. В экспериментах использовались КМ с различным объемным содержанием SIC — 15; 20 и 25 %.

Проводились металлографические исследования паяных соединений и механические испытания на отрыв.

Химический состав припойного материала претерпевает значительные изменения. Жидкая фаза, формирующаяся, в процессе пайки, представляет собой сплав Al-Zn-Cu-Sl.

В шве присутствуют четыре структурные составляющие: г-твердый раствор на основе алюминия; включения SI; 0-фаза и эвтектика. Кристаллиты а-твердого раствора как от границы соединения, так и в объеме шва. Включения SI, б-фаза и эвтектика располагаются между зернами а-твердого раствора.

Эвтектика обладает повышенной хрупкостью, поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы количество ее в шве быле минимальным. Давление, прикладываемое к образцам во время пайки, способствует удалению легкоплавкой эвтектики из зоны пайки, повышая прочность соединений. Установлено, что оптимальным является давление 25...30 МПа и время пайки 10...15 с при температуре 500.. .520 °С.

Механические испытания паяных соединений на отрыв показали, что максимальная прочность составляет 100...110 МПа.

Разрабатываемую технологию предполагается использовать для изготовления комбинированных поршней двигателей внутреннего сгорания. Поршень состоит из алюминиевого корпуса и крышки из дис-персноупрочненного (частиц SIC) КМ. Срок службы таких поршней в несколько раз больше, чем у обычных алюминиевых. Задача состоит в эбеспечении надежного соединения крышки с корпусом.

Условия работы поршня требуют, чтобы прочность соединения на отрыв составляла 180...190 )ИПа при комнатной температуре. Поэтому в настоящее время ведутся работы по оптимизации состава 1рипоя, режимов пайки и конструкции соединения с целью повышения его прочности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что при пайке алюминия со сталью припоями на основе олова, цинка и алюминия на границе со сталью происходит образование интерметаллидных фаз уже на стадии облуживания.

2. Припои на основе олова можно успешно менять для получения стзлеолюминиевых соединений в конструкциях, работающих при невысоких нагрузках.

3. Показано, что припои на основе алюминия нецелесообразно применять при пайке с приложением давления, поскольку из-за высокой температуры их плавления на границе со сталью образуется сплошная интерметаллидная прослойка, значительно снижающая прочность соединений.

4. Наиболее перспективными для пайки алюминия с нержавеющей сталью являются припои на цинковой основе, т.к. образующаяся под слоем интерметаллида на стадии облуживгния легкоплавкая структурная составляющая способствует его раздроблению в процессе пайки с приложением давления, что позволяет получить практически равнопрочные соединения.

5. Разработанная технология пайки листовых, трубчатых и стержневых волокнистых КМ с алюминиевой матрицей дает вог.чо;;:-ность получать надежные их соединения без разупрочнения Ш.

6. Установлено, что при пайке листовых КМ, армированных волокнами стали или бора, максимальная прочность достигается при ширине паяного шва, соизмеримой с межволокошшм расстоянием.

7. Обнаружено, что при пайке с нагревом мощными импульсами тока происходит повышенная диффузия элементов припоя в основной металл.

8. Установлено, что при пайке с приложенном давления припоем на основе цинка дмсперсноупрочнсшшх (частицами SSC) КМ, формирование соединения происходит без взаимодействия частиц упрочните-ля с расплавом припоя, что позооляот сохранить прочность Ш.

9. Результаты научных исследований позволили разработать опытно-промышленную технологию пайки нержавеющей посуды с алюминиевым теплораспределитсльным днищем, а та осе различных конструкций из волокнистых и дисперсноупрочненных КМ с алюминиевой матрицей, в частности велосипедных рам.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Кучук-Яценко B.C., Сабадаш В.М., Касаткина Н.В. Исследование микроструктуры в хниичгского состава плщшх соедшхешай алюишпхя со сталью // Теплофизика техшлопгчгсквх прсцесш : Тез, докл.конф. (Тольетте, 18-20 окт. 1988 г.).—Тольятти : ТЛИ, 1938.—C.33.

2. Кучук-Яцешсо B.C., Касаткина Н.Б. Исследование вяаяша режимов пайки га образование прослойки штгерметгллкдоа в сагдивепвах алгояиння АД-1 с нершшеющей сталью 12Х1Ш10Т // Достажирш в облает сварки и cmss-

пых технологий: Тез. дел. кокф.(Кнев, 10-12 апр. 1989 г.).—Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, 1989.—С.49.

3. Brazing of sheet composite materials with aluminium matrix / V.F.Khorunov,V.S.Kutchuk-Yatsenko,I.S.Dykhno, N.V.Kasatkina // Proceedings of the international conference «Advances in joining never structural materials» (Monreal, 23-25 July 1990).—Monreal: Pergamori Press, 1990.—P.143-153.

4. Рябов B.P., Дыхно И.С., Кучук-Яценко В.С.Свархо-пайка композиционного материала KAC-IA // Авиационная пром-сть.—19Р9.—№ 1.—С. 31-35.

5. Некоторые особенности технологии сварко-пайки неразъемных конструкций из композиционных материалов разнонаправленного армирования / В.Р.Рябов, В.Ф. Хорунов, И.С. Дыхно, B.C. Кучук-Яценко и др. // Материалы Московской международной конференции по композитам (Москва, 5-7 июня 1990 г.).—Москва, 1990.—С.61-62.

6. Соединение листовых композиционных материалов разнонаправленного армирования / В.Ф, Хорунов, В.Р.Рябов, И.С.Дыхно, В.С.Кучук-Яценко и др. Н Автомат, сварка.—1991.—№ 6.— С. 62-64.

7. Кучук-Яценко B.C., Швец В.И., Дыхно И.С. Особенности взаимодействуя припоя П-425 со сталью 12Х18Н10Т и со сплавом АД-1 при облуживашш Ц Пайка в машиностроении: Тез. докл. конф. (Тольятти, 12-14 окт. 1991 г.).— Тольятти: ТПИ, 1991.—С.30.

8. Хорунов В.Ф., Кучук-Яценко B.C., Швец В.И. Формирование соединений при сварко-пайке алюминиевых сплавов с нержавеющими сплавами // Сварка, пайка, нанесение покрытий и восстановление изношенных деталей: Тез. дохл. конф. (Тольятти, 23-25 сент. 1992 г.).—1ольятти: ТПИ,1992,—С.4.

9. Dykhno I.S., Kutchuk-Yatsenko V.S. Method for making permanent joints in aluminium-base metallic materials to aluminium alloys and cera ilcs // Proceeding of the second Japan international SAMPE symposium and exhibition «Advanced materials for future industries»(Tokio, 11-14 decemder 1991).— Tokio: SAMPE,1991.—P.758-765.

10. Fabrication of truss structures of tubular and rod aluminiun matrix composites by brazing-welding methode / . V.F.Chorunov, VlS Kutchuk-Yatsenko, I.V. Zvolifiskij, V.I. Schwets // Proceedings of the 3rd Intenatlonal conference on «Brazing, high temperature brazing and diffusion welding» (Aachen, 24-26 november 1992).—Aachen: DVS, 1992,—P. 107-118.

11. Formation of Permanent joints in case of welding-soldering of aluminium-base composite materials to stainless steel / V.F. Chorunov, V.S. Kutchuk-Yatsenko, V.I. Shvets, I.V. Zvolinskij // Proceeding of the 14th International SAMPE conferece and exhibition european chapter «Broadening horizons with advanced material and processes« (Birmingham, 19-21 October 1993).—Birmingham: SAMPE, 1993.—P.91-97. '

12. Development of brazing technology of dispersion-strenghened composite materials with aluminium matrix / V.F. Chorunov, V.S. Kutchuk-Yatsenko, I.V.Zvolinsldj, V.I. Shvets // Proceeding 39th International SAMPE symposium and exhibition

15

«Moving forward with 50 years of leadership in advanced materials» (Anaheim 11-14 aprii 1994).—Anaheim: SAMPE, 1994.—P. 14<Ы50. 13. A. c. 155858S СССР, В 23 К 1/00. Способ пайки электросопротивлением / В.Ф.Хорунов, П.Н.Чвертко, В.С.Кучук-Яцепко, О.М. Сабадаш.—Опубл 23.04.90; Бюл, № 15.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. В [1,2,7,8,13] описана разработан мая технология пайки алюминия со сталью и исследованы особенно сти формирования сталеалюминиевых соединений при пайке с при .ложением давления. В [3] определено оптимальное тепловлохсенис при пайке волокнистых КМ с нагревом проходящим током. В [4-6, 9 11] исследовано влияние параметров процесса пайки на формирование и прочность паяных соединений из волокнистых КМ. В [10] решены проблемы получения ферменных конструкций из волокнистых КМ. В [12] исследованы, особенности пайки дисперсноупрочненных (частицами SIC) КМ между собой и с алюминиевыми сплавами.

Подп. в пач. 15. 07. 94. Формат 60 х 84/16. Бумага тип. № 1. Офс. печ. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 1,39. Уч.-изд. л. 0,99.

Тираж 120экз. Бесплатно. Зак. ?07_

ПОП ИЭС им. Е.О. Патона. 252650, Киев-5, ГСП. ул. Горького.69.