RU2226457C2

RU2226457C2 - Method for making double-layer soldered structures

Info

Publication number: RU2226457C2
Application number: RU2001132602/02A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Семенов; К.И. Недашковский; В.П. Мордашев; Т.Н. Корнеева; Л.И. Мухина
Original assignee: Открытое акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко"
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2004-04-10

Abstract

FIELD: processes and equipment for making soldered joints used in missile making industry branch, aircraft manufacture, heat and power engineering. SUBSTANCE: structure includes part of dispersion-hardened nickel-base alloy and part of copper-base alloy. Method comprises steps of applying nickel coating onto soldered surfaces of both parts; subjecting part of dispersion hardened alloy to quenching before applying coating onto it; assembling structure while placing copper base solder containing 15 -17% of manganese onto soldered surfaces; heating, soldering structure, cooling and aging it. EFFECT: enhanced reliability of soldered joints. 3 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологическим процессам, а более конкретно к способам изготовления паяных соединений, которые могут применяться в ракетной технике, авиации, теплоэнергетике и других областях техники.The invention relates to technological processes, and more particularly to methods for the manufacture of soldered joints, which can be used in rocketry, aviation, thermal power and other technical fields.

Из патента №2105080 МКИ, C 22 F 1/10, приоритет 21.04.95г. (столбец 4 описания) известна пайка элемента конструкции днища, состоящего из кольца и впаянного в него по периметру диска. Материал кольца - дисперсионно-твердеющий сплав на никель-хромовой основе. Материал диска - бронза. Температура пайки 925±5°С. Используют припой на серебряной основе марки Пср-37,5. Температура начала плавления его составляет 720°С. Перед операцией пайки заготовку кольца закаливают с температурой 1080±5°C с охлаждением на воздухе.From patent No. 2105080 MKI, C 22 F 1/10, priority 04/21/95. (column 4 of the description) it is known to solder a structural element of the bottom, consisting of a ring and soldered into it along the perimeter of the disk. The material of the ring is a precipitation hardening alloy based on nickel-chromium. The disc material is bronze. Soldering temperature 925 ± 5 ° С. Use solder on a silver base of the brand Psr-37.5. The temperature of the beginning of its melting is 720 ° C. Before the soldering operation, the ring preform is quenched at a temperature of 1080 ± 5 ° C with cooling in air.

Данное техническое решение принимаем в качестве аналога.We take this technical solution as an analog.

Недостаток данного аналога в том, что применяют относительно дорогостоящий припой Пср-37,5, содержащий значительное количество такого дефицитного металла, как серебро. Кроме того, отсутствие никелевого покрытия на поверхностях пайки не обеспечивает достаточно хорошего растекания припоя по этим поверхностям перед пайкой, что отрицательно влияет на качество паяного соединения.The disadvantage of this analogue is that they use a relatively expensive Psr-37.5 solder containing a significant amount of such a deficient metal as silver. In addition, the absence of a nickel coating on the surfaces of the solder does not provide a sufficiently good spreading of the solder on these surfaces before the soldering, which negatively affects the quality of the solder joint.

Из патента РФ №2129482, МКИ B 23 K 35/30, приоритет 19.08.96, известна пайка деталей из нержавеющей стали и сплава на медной основе (столбец 4 описания) припоем с пониженным содержанием серебра и значительным содержанием марганца.From the patent of the Russian Federation No. 2129482, MKI B 23 K 35/30, priority 19.08.96, it is known to solder parts made of stainless steel and an alloy based on copper (column 4 of the description) solder with a low silver content and a significant manganese content.

При такой пайке использованы пластины припоя толщиной 0,5 мм, содержащего, мас.%: серебро 2,5; марганец 9,5; никель 5,0 и медь 83. После сборки изделие паяли в печи в атмосфере инертного газа - аргона. Пайку проводили при температуре 1000°С с выдержкой и последующим охлаждением в аргоне.With this soldering, 0.5 mm thick solder plates were used, containing, wt.%: Silver 2.5; manganese 9.5; nickel 5.0 and copper 83. After assembly, the product was soldered in a furnace in an atmosphere of inert gas - argon. The soldering was carried out at a temperature of 1000 ° C with exposure and subsequent cooling in argon.

Это техническое решение принимаем в качестве аналога.We make this technical decision as an analogue.

Недостаток аналога в наличии в припое серебра, а также в необходимости тщательной обработки паяемой поверхности деталей.The lack of analogue in the presence of silver in the solder, as well as the need for careful processing of the brazed surface of the parts.

Кроме того, из аналога неясно, каким образом осуществлять изготовление двухслойных паяных конструкций, содержащих деталь из дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе и деталь из сплава на основе меди. Отсутствие покрытия никелем спаиваемых поверхностей не способствует растеканию припоя по поверхности пайки, что не обеспечивает высокой технологичности способа получения паяного соединения.In addition, it is not clear from the analogue how to manufacture two-layer soldered structures containing a part from a precipitation hardening alloy based on nickel and a part made from an alloy based on copper. The lack of nickel coating of the soldered surfaces does not contribute to the spreading of solder on the surface of the solder, which does not provide a high technological process for producing a soldered joint.

Из патента РФ №2109606, МКИ B 23 K 1/00, 31/02, приоритет 05.09.96, известен способ изготовления паяных телескопических конструкций, состоящих из толстостенных внутренней и наружной оболочек. На паяемые поверхности оболочек наносят слой никелевого покрытия с целью защиты от проникновения припоя к дисперсионно-твердеющему сплаву при пайке медно-серебряным припоем, чтобы предотвратить появление трещин. Перед пайкой производят нагрев до температуры на 15÷25°С ниже температуры плавления припоя с изотермической выдержкой при ней с последующим нагревом до температуры пайки. Это изобретение принимаем в качестве прототипа.From the patent of the Russian Federation No. 2109606, MKI B 23 K 1/00, 31/02, priority 05.09.96, a method for manufacturing soldered telescopic structures consisting of thick-walled inner and outer shells is known. A nickel coating layer is applied to the brazed surfaces of the shells to protect against penetration of the solder to the precipitation hardening alloy when brazing with copper-silver solder to prevent cracking. Before soldering, they are heated to a temperature of 15 ÷ 25 ° C below the melting point of the solder with isothermal exposure to it, followed by heating to the soldering temperature. This invention is taken as a prototype.

Недостаток прототипа в пониженных прочностных характеристиках паяной конструкции, ввиду отсутствия закалки детали из дисперсионно-твердеющего сплава перед нанесением никеля.The disadvantage of the prototype in the reduced strength characteristics of the soldered structure, due to the lack of hardening of parts from a precipitation hardening alloy before applying nickel.

Из прототипа неясно, каким образом в паяном соединении можно обеспечить высокую прочность никелевого сплава наружной оболочки применительно к дисперсионно-твердеющему сплаву на никелевой основе. Кроме того, медно-серебряный припой является относительно дорогим материалом, содержащим серебро, который требует соответствующей тщательной предварительной обработки паяемых поверхностей.From the prototype it is not clear how in a soldered connection it is possible to provide high strength nickel alloy of the outer shell in relation to the precipitation hardening alloy on a nickel basis. In addition, copper-silver solder is a relatively expensive material containing silver, which requires appropriate careful pre-treatment of the brazed surfaces.

Наличие напряжений в дисперсионно-твердеющем сплаве и микротрещин до пайки может привести без термообработки к разрушению паяного соединения.The presence of stresses in the precipitation hardening alloy and microcracks before soldering can lead to the destruction of the brazed joint without heat treatment.

В основу изобретения положена задача создания способа изготовления двухслойных паяных конструкций, содержащих деталь из дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе и деталь из сплава на основе меди, который бы отличался высокой надежностью для работы в условиях высоких прочностных нагрузок. Эта задача является актуальной и диктуется особенностями работы ряда современных машин.The basis of the invention is the creation of a method of manufacturing two-layer soldered structures containing a part from a precipitation hardening alloy based on nickel and a part made from an alloy based on copper, which would be highly reliable for working under high strength loads. This task is relevant and is dictated by the features of a number of modern machines.

Сущность изобретения заключается в том, чтобы обеспечить надежное паяное соединение двух деталей из дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе и из сплава на основе меди. Способ содержит операции нанесения на паяемые поверхности обеих деталей никелевого покрытия. Перед покрытием деталь из дисперсионно-твердеющего сплава подвергают закалке. Это делается, чтобы снять напряжения до пайки и предотвратить разрушение паяного соединения. Осуществляют сборку конструкции с размещением на паяемых поверхностях припоя на основе меди, содержащего 15-17% марганца. Затем осуществляют нагрев, пайку конструкции, ее охлаждение и старение.The essence of the invention is to provide a reliable solder joint of two parts from a precipitation hardening alloy based on nickel and from an alloy based on copper. The method comprises the steps of applying to a brazed surface both parts of a nickel coating. Before coating, a part made of a precipitation hardening alloy is hardened. This is done to relieve stress prior to soldering and to prevent breakdown of the solder joint. The assembly of the structure is carried out with placement on the brazed surfaces of copper-based solder containing 15-17% manganese. Then carry out heating, soldering the structure, its cooling and aging.

Характерной особенностью способа является то, что закалку осуществляют с 980-1050°С.A characteristic feature of the method is that hardening is carried out from 980-1050 ° C.

Наиболее эффективная толщина наносимого на детали никелевого покрытия для дисперсионно-твердеющего сплава составляют 30-45 мкм, а для сплава на основе меди 10-16 мкм.The most effective thickness of the nickel coating applied to the parts for a precipitation hardening alloy is 30-45 microns, and for a copper-based alloy 10-16 microns.

Наиболее эффективная температура пайки составляет 1010±10°С. Закалку, пайку, охлаждение и старение проводят в среде инертного газа аргона.The most effective soldering temperature is 1010 ± 10 ° C. Hardening, soldering, cooling and aging is carried out in an inert gas of argon.

Данный способ изготовления двухслойных паяных конструкций позволяет улучшить качество паяного соединения относительно трещинообразования в паяном шве и соединенных с помощью него деталях.This method of manufacturing two-layer soldered structures allows to improve the quality of the brazed joint with respect to crack formation in the brazed joint and parts connected with it.

Как известно трещинообразование является одной из самых актуальных и важных проблем современной техники, занимающей одно из первых мест по причинам соответствующих аварий и катастроф в технических объектах.As you know, crack formation is one of the most relevant and important problems of modern technology, which occupies one of the first places due to the causes of accidents and disasters in technical facilities.

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является создание высокотехнологичного и эффективного способа изготовления двухслойных паяных конструкций, содержащих деталь из дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе и сплава на основе меди при применении относительно недорогого припоя на основе меди, содержащего марганец.The technical result achieved by the invention is the creation of a high-tech and efficient method for manufacturing two-layer brazed structures containing a part from a precipitation hardening alloy based on nickel and a copper-based alloy using relatively inexpensive solder based on copper containing manganese.

На чертеже представлено паяное соединение двух деталей.The drawing shows a soldered connection of two parts.

Предложенный способ проиллюстрируем на примере изготовления паяного соединения, приведенного на чертеже, где 1 - фланец из дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе, в который вставлено цилиндрическое кольцо из медного сплава 2 по паяемым поверхностям 3.The proposed method is illustrated by the example of the manufacture of the brazed joint shown in the drawing, where 1 is a flange of a precipitation hardening alloy based on nickel, into which a cylindrical ring of copper alloy 2 is inserted along the brazed surfaces 3.

Способ осуществляют следующим образом. Механическим путем изготавливают фланец 1 и кольцо 2. Перед сборкой конструкции фланец 1 подвергают закалке с температуры 980-1050°С в среде газообразного аргона.The method is as follows. Flange 1 and ring 2 are made mechanically. Before assembling the structure, flange 1 is quenched from a temperature of 980-1050 ° C in an argon gas atmosphere.

Данная операция необходима для обеспечения высокой пластичности сплава, поскольку при указанной температуре происходит полное растворение в нем упрочняющих фаз. Среда газообразного аргона предотвращает окисление сплава при столь высокой температуре. Далее на паяемые поверхности 3 обеих деталей (1 и 2) наносят слои никелевого покрытия 4 гальваническим методом, например на деталь из никелевого сплава - слой толщиной 30-45 мкм, на деталь из медного сплава - 10-16 мкм. Нанесение никелевого покрытия необходимо для улучшения растекаемости припоя при нагреве под пайку. При сборке конструкции на паяемых поверхностях 3 деталей 1 и 2 располагают припой 5 в виде, например, полос. В качестве припоя используют сплав со значительным содержанием марганца. В частности, используемый в качестве припоя сплав на основе меди с содержанием 17% марганца имеет интервал плавления, равный 870-940°С. Этот припой в данном случае является технологичным, т.к. не требует особо тщательной зачистки паяемых поверхностей. Использование такого припоя способствует предотвращению образования трещин в шве в процессе пайки. Собирают конструкцию, устанавливая кольцо 2 во фланец 1, как показано на чертеже. Собранную конструкцию помещают в контейнер, заполняют его газообразным аргоном и устанавливают в печь. Пайку проводят при температуре выше верхнего предела плавления припоя. В случае использования указанного выше припоя пайку проводят при температуре на 60-80°С выше 940°С, т.е. оптимально 1010±10°С.This operation is necessary to ensure high ductility of the alloy, since at the specified temperature, the hardening phases are completely dissolved in it. An argon gas medium prevents oxidation of the alloy at such a high temperature. Next, on the brazed surfaces 3 of both parts (1 and 2), nickel plating layers 4 are applied by the galvanic method, for example, on a nickel alloy part - a layer 30–45 μm thick, on a copper alloy part - 10–16 μm. Nickel plating is necessary to improve the solder flowability when heated by soldering. When assembling the structure on the brazed surfaces 3 parts 1 and 2 have a solder 5 in the form of, for example, strips. An alloy with a significant manganese content is used as solder. In particular, a copper-based alloy with a content of 17% manganese used as solder has a melting range of 870-940 ° C. This solder in this case is technological, because does not require particularly careful cleaning of soldered surfaces. The use of such solder helps to prevent the formation of cracks in the weld during the soldering process. Assemble the structure by installing the ring 2 in the flange 1, as shown in the drawing. The assembled structure is placed in a container, filled with gaseous argon and installed in a furnace. Soldering is carried out at a temperature above the upper limit of melting of the solder. In the case of using the above solder, the soldering is carried out at a temperature of 60-80 ° C above 940 ° C, i.e. optimally 1010 ± 10 ° C.

По окончании процесса пайки в среде аргона вместе с контейнером осуществляют охлаждение до комнатной температуры, а затем спаянную конструкцию подвергают старению при температуре 720-750°С, при этом время выдержки выбирается с учетом обеспечения полного выпадения упрочняющей фазы для получения заданной прочности сплава на основе никеля (т.е. фланца 1). Старение проводят также в среде газообразного аргона.At the end of the soldering process in an argon medium, together with the container, they are cooled to room temperature, and then the soldered structure is subjected to aging at a temperature of 720-750 ° C, while the holding time is selected taking into account the complete precipitation of the hardening phase to obtain the specified strength of the nickel-based alloy (i.e. flange 1). Aging is also carried out in argon gas.

Металлографические исследования паяных соединений конструкций, изготовленных по технологии в соответствии с изобретением, показали отсутствие в них трещин. Кроме того, данный способ позволил упростить процесс термообработки этого сплава и тем самым удешевить технологию изготовления конструкций.Metallographic studies of soldered joints of structures made according to the technology in accordance with the invention showed the absence of cracks in them. In addition, this method allowed to simplify the heat treatment of this alloy and thereby reduce the cost of manufacturing technology of structures.

Отсутствие трещин в паяных соединениях значительно повысило надежность работы этих конструкций в экстремальных условиях на одном из отечественных двигателей.The absence of cracks in soldered joints significantly increased the reliability of these structures in extreme conditions on one of the domestic engines.

Изобретение предназначено для использования в ракетной технике. Возможно использование его в других областях техники, где используются паяные соединения. Изобретение готово к промышленному использованию.The invention is intended for use in rocket technology. It can be used in other areas of technology where soldered joints are used. The invention is ready for industrial use.

Claims

1. A method of manufacturing a two-layer soldered structures containing a part of a precipitation hardening alloy based on nickel and a part made of an alloy based on copper, including the operation of applying a nickel coating layer to the surfaces to be soldered, assembling the structure with the placement of copper-nickel solder on the surfaces to be soldered, heating, soldering the structure , its cooling and aging, characterized in that before applying a layer of Nickel coating on a part of a precipitation hardening alloy, this part is subjected to hardening at a temperature of 980-1050 ° C, aging knit construction is carried out in an inert gas atmosphere.

2. The method according to claim 1, characterized in that a nickel layer 30–45 μm thick is deposited on the brazed surface of a part made of a precipitation hardening alloy, and 10–16 µm on a copper-based alloy part.

3. The method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the soldering is carried out at a temperature of (1010 ± 10) ° C.