RU2279957C1 - Copper-base solder - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy, soldering materials.

SUBSTANCE: invention proposes a solder comprising the following components, wt.-%: beryllium, 1.65-2.0; manganese, 0.5-0.7; titanium, 0.3-0.5; nickel, 0.2-0.4; iron, 0.15-0.25; magnesium, 0.1-0.2; aluminum, 0.1-0.15; silicon, 0.1-0.15, and copper, the balance. The solder provides strength and vacuum density of soldered joints at exploitation heating below 650°C and shows technological effectiveness in making the deformed semifinished articles from it as foil and wire. Invention can be used in soldering different beryllium compounds with structural alloys - stainless steel and monel used as mandrel in making roentgen windows.

EFFECT: improved and valuable properties of solder and articles.

2 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к припоям для пайки разнородных соединений бериллия с конструкционными сплавами - нержавеющей сталью и монелем, используемых в качестве оправ при изготовлении рентгеновских окон и других контрольно-измерительных приборов.The invention relates to the field of mechanical engineering, namely to solders for soldering dissimilar compounds of beryllium with structural alloys - stainless steel and monel, used as frames in the manufacture of x-ray windows and other instrumentation.

Бериллий обладает высокой радиационной прозрачностью для рентгеновских лучей, и используется в качестве выходных окон при изготовлении рентгеновских трубок и входных окон в датчиках ионизирующих излучений. К паяным соединениям предъявляются требования по сохранению прочности и вакуумной плотности в течение срока работы трубки - (1000-10000) ч при эксплуатационных нагревах до 650°С.Beryllium has a high radiation transparency for x-rays, and is used as exit windows in the manufacture of x-ray tubes and entrance windows in ionizing radiation sensors. Soldered joints are required to maintain strength and vacuum density during the life of the tube - (1000-10000) h with operational heating up to 650 ° C.

Для соединения бериллия с корпусом трубки используют оправы из нержавеющей стали и монеля. Пайка бериллия с оправой или рамой из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и монеля обычно выполняется в вакууме серебряными припоями - (60-92)%Ag.Stainless steel and monel frames are used to connect beryllium to the tube body. Soldering of beryllium with a frame or frame made of 12X18H10T stainless steel and monel is usually performed in vacuum with silver solders - (60-92)% Ag.

В связи с дефицитностью серебра в качестве сереброзаменяющих припоев в промышленности в настоящее время широко используют сплавы на основе меди различных систем легирования (Cu-P, Cu-Mn, Cu-Sn, Cu-Ni-P и др.). Имеется необходимость применения сереброзаменяющих припоев на основе меди для пайки бериллия с нержавеющей сталью и бериллия с монелем.Due to the scarcity of silver, alloys based on copper of various alloying systems (Cu-P, Cu-Mn, Cu-Sn, Cu-Ni-P, etc.) are currently widely used as silver-substituting solders in industry. There is a need to use silver-based solders based on copper for brazing beryllium with stainless steel and beryllium with monel.

Известен сплав на основе меди (Cu-Mn-Zn-Be), имеющий температуру плавления (804-871)°С, который может быть использован в качестве припоя, состав в мас.%:Known alloy based on copper (Cu-Mn-Zn-Be), having a melting point (804-871) ° C, which can be used as solder, composition in wt.%:

МарганецManganese 12-3612-36 ЦинкZinc 4-284-28 БериллийBeryllium 0,1-10.1-1 МедьCopper остальноеrest

(Патент США №3972712)(US Patent No. 3972712)

Недостатком этого сплава является невозможность его использования в качестве припоя при вакуумной пайке в связи с наличием цинка, имеющего высокую упругость пара.The disadvantage of this alloy is the impossibility of its use as solder in vacuum brazing due to the presence of zinc having high vapor pressure.

Известен припой (Cu-Ti-Be) для пайки керамики с металлом при температурах (910-950)°С, образующий вакуумноплотные соединения и имеющий следующий химический состав, в мас.%:Known solder (Cu-Ti-Be) for brazing ceramics with metal at temperatures (910-950) ° C, forming vacuum-tight compounds and having the following chemical composition, in wt.%:

ТитанTitanium 36-51,536-51.5 БериллийBeryllium 0,5-120.5-12 МедьCopper остальноеrest

(Авт. св. СССР №470382)(Aut. St. USSR No. 470382)

Недостатком этого припоя являются трудность в получении из него деформированных полуфабрикатов (проволока, фольга) припоя.The disadvantage of this solder is the difficulty in obtaining from it deformed semi-finished products (wire, foil) of the solder.

Известен сплав на основе меди, предназначенный для изготовления биметаллических узлов сталь - бронза методом заливки, состав в мас.%:Known alloy based on copper, intended for the manufacture of bimetallic nodes steel - bronze by pouring method, the composition in wt.%:

АлюминийAluminum 8,5-10,58.5-10.5 ЖелезоIron 3-73-7 МарганецManganese 0,7-1,70.7-1.7 ТитанTitanium 0,01-0,10.01-0.1 КремнийSilicon 0,05-1,00.05-1.0 БериллийBeryllium 0,001-0,010.001-0.01 МедьCopper остальноеrest

(Авт. св. СССР №389159)(Aut. St. USSR No. 389159)

Недостатком этого сплава при использовании его в качестве припоя является недостаточные технологические свойства (растекание, смачивание), недостаточная вакуумная плотность и прочность паяных соединений для разнородных соединений бериллия с нержавеющей сталью и бериллия с монелем, отсутствие возможности получения деформированных полуфабрикатов (фольга, проволока) припоя.The disadvantage of this alloy when used as solder is insufficient technological properties (spreading, wetting), insufficient vacuum density and strength of soldered joints for heterogeneous compounds of beryllium with stainless steel and beryllium with monel, and the inability to obtain deformed semi-finished products (foil, wire) of solder.

За прототип принят припой на основе меди ПСр72, используемый в способе пайки бериллиевой фольги, преимущественно при изготовлении входных окон электровакуумных приборов, пропускающих рентгеновское излучение.The prototype is solder based on PSR72 copper, used in the method of brazing beryllium foil, mainly in the manufacture of input windows of electrovacuum devices that transmit x-ray radiation.

(Авт. св. СССР №538836)(Aut. St. USSR No. 538836)

Недостатками этого способа является:The disadvantages of this method are:

1. Содержание серебра, являющегося драгоценным металлом.1. The content of silver, which is a precious metal.

2. Плохое смачивание нержавеющей стали, применяемой в качестве рам при изготовлении некоторых типов рентгеновских окон из бериллиевой фольги.2. Poor wetting of stainless steel used as frames in the manufacture of certain types of x-ray windows from beryllium foil.

3. Неработоспособность припоя при повышенных температурах. Обычно медно-серебряные припои применяют при пайке соединений, работающих при 20°С.3. Inoperability of solder at elevated temperatures. Usually, copper-silver solders are used when soldering compounds operating at 20 ° C.

Технической задачей изобретения является создание припоя на основе меди, обладающего технологичностью (смачивание, растекание) при пайке разнородных соединений бериллия с нержавеющей сталью и бериллия с монелем при температурах пайки до 950°С, обеспечивающего прочность и вакуумную плотность паяных соединений после эксплуатационных нагревов до 650°С. Припой должен обладать технологичностью при изготовлении из него деформированных полуфабрикатов (фольга, проволока).An object of the invention is the creation of a copper-based solder with processability (wetting, spreading) when soldering dissimilar compounds of beryllium with stainless steel and beryllium with monel at soldering temperatures up to 950 ° C, providing strength and vacuum density of soldered joints after operational heating up to 650 ° FROM. The solder should be adaptable in the manufacture of deformed semi-finished products (foil, wire) from it.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен припой на основе меди для пайки разнородных соединений бериллия с конструкционными сплавами, отличающийся тем, что он дополнительно содержит содержащий бериллий, марганец, титан, никель, железо, магний, алюминий, кремний и при следующем соотношении компонентов, в мас.%:The stated technical problem is achieved by the fact that a copper based solder is proposed for brazing dissimilar compounds of beryllium with structural alloys, characterized in that it additionally contains beryllium, manganese, titanium, nickel, iron, magnesium, aluminum, silicon, and in the following ratio of components, in wt.%:

БериллийBeryllium 1,65-2,01.65-2.0 МарганецManganese 0,5-0,70.5-0.7 ТитанTitanium 0,3-0,50.3-0.5 НикельNickel 0,2-0,40.2-0.4 ЖелезоIron 0,15-0,250.15-0.25 МагнийMagnesium 0,1-0,20.1-0.2 АлюминийAluminum 0,1-0,150.1-0.15 КремнийSilicon 0,1-0,150.1-0.15 МедьCopper остальноеrest

Медь выбрана в качестве основы припоя благодаря комплексу положительных физико-химических свойств (пластичность, немагнитность, вакуумная плотность и др.).Copper is selected as the basis of solder due to a combination of positive physicochemical properties (ductility, non-magnetism, vacuum density, etc.).

Бериллий, применяемый в количестве (1,65-2,0)%, снижает температуру плавления меди, образуя с ней сплав - бериллиевую бронзу. Однако этот медно-бериллиевый сплав без других компонентов не может быть использован в качестве припоя, так как растворение бериллия в меди ничем не ограничивается и ведет к образованию хрупкой β-фазы.Beryllium, used in an amount of (1.65-2.0)%, reduces the melting point of copper, forming an alloy with it - beryllium bronze. However, this copper-beryllium alloy without other components cannot be used as solder, since the dissolution of beryllium in copper is not limited by anything and leads to the formation of a brittle β-phase.

Уменьшение растворимости бериллия в меди достигается введением компонентов, снижающих растворимость бериллия в меди (марганца, титана, железа и кремния) в заявленных количествах и обеспечивающих сочетание высоких прочностных свойств припоя, вакуумной плотности и стабилизацию структуры припоя в процессе кристаллизации и эксплуатационных нагревов, а также деформационную способность при изготовлении из него полуфабрикатов (фольга, проволока) припоя.Reducing the solubility of beryllium in copper is achieved by introducing components that reduce the solubility of beryllium in copper (manganese, titanium, iron and silicon) in the declared amounts and provide a combination of high strength properties of the solder, vacuum density and stabilization of the structure of the solder during crystallization and operational heating, as well as deformation ability in the manufacture of semi-finished products from it (foil, wire) solder.

Магний благодаря низкой упругости пара создает при пайке активную среду, способствует удалению устойчивой окисной пленки бериллия.Due to its low vapor pressure, magnesium creates an active medium during soldering and helps to remove a stable beryllium oxide film.

Никель образует малорастворимый бериллид никеля и уменьшает растворимость бериллия в меди, а также повышает жаропрочность припоя.Nickel forms a sparingly soluble nickel beryllide and reduces the solubility of beryllium in copper, and also increases the heat resistance of solder.

Марганец снижает температуру плавления меди, стабилизирует структуру припоя, образуя с ней ряд непрерывных твердых растворов, немагнитен.Manganese lowers the melting point of copper, stabilizes the solder structure, forming with it a series of continuous solid solutions, non-magnetic.

Титан обеспечивает улучшение смачиваемости бериллия припоем и образует соединения TiBe₂ и Cu₃Ti, которые образуют дополнительное упрочнение, и стабилизирует структуру припоя.Titanium improves the wettability of beryllium by solder and forms TiBe ₂ and Cu ₃ Ti compounds, which form additional hardening, and stabilizes the structure of the solder.

Указанные соотношения железа, алюминия и кремния обеспечивают стойкость паяного соединения против образования кристаллизационных трещин при охлаждении.The indicated ratios of iron, aluminum and silicon ensure the resistance of the soldered joint against the formation of crystallization cracks upon cooling.

Припой имеет температуру плавления (870-940)°С, температура пайки этим припоем (940-950)°С. Припой хорошо смачивает паяемые материалы в разнородных соединениях бериллия с нержавеющей сталью и бериллия с монелем. Сопротивление срезу паяных швов в разнородных нахлесточных соединениях бериллия с нержавеющей сталью 12Х18Н10Т и монелем достигает (100-120) МПа. Паяные швы, выполненные по оптимальной технологии, обладают вакуумной плотностью.The solder has a melting point (870-940) ° C, the temperature of soldering this solder (940-950) ° C. Solder wets soldered materials well in heterogeneous compounds of beryllium with stainless steel and beryllium with monel. The shear resistance of brazed joints in dissimilar lap joints of beryllium with stainless steel 12X18H10T and monel reaches (100-120) MPa. Brazed seams made using the best technology have a vacuum density.

Припой хорошо деформируется прессованием на гидравлическом прессе, волочится на волочильных машинах в проволоку и прокатывается в фольгу на прокатном стане по стандартным технологиям, применяемым при изготовлении этих полуфабрикатов из бериллиевых бронз.The solder is well deformed by pressing on a hydraulic press, dragged into wire by drawing machines and rolled into foil on a rolling mill according to standard technologies used in the manufacture of these semi-finished products from beryllium bronzes.

Примеры осуществленияExamples of implementation

Предлагаемый припой выплавлялся в вакуумной индукционной печи. Полученные слитки предлагаемого припоя деформировались на гидравлическом прессе в пруток, который волочился в проволоку диаметром 1 мм, и полосу, которая затем прокатывалась в фольгу толщиной 0,2 мм. В качестве припоя-прототипа использовался припой ПСр72 в виде слитка, фольги толщиной 0,2 мм и проволоки диаметром 1 мм, полученный с завода-изготовителя. В таблице 1 представлены составы предлагаемых припоев (примеры 1-3) и припоя-прототипа.The proposed solder was smelted in a vacuum induction furnace. The obtained ingots of the proposed solder were deformed on a hydraulic press into a bar, which was dragged into a wire with a diameter of 1 mm, and a strip, which was then rolled into a 0.2 mm thick foil. As prototype solder, PSr72 solder was used in the form of an ingot, 0.2 mm thick foil and 1 mm diameter wire obtained from the manufacturer. Table 1 presents the compositions of the proposed solders (examples 1-3) and the solder prototype.

Пайка проводилась при нагреве в вакуумной печи. Вакуум при пайке составил не менее 3·10^-5 мм рт.ст.Soldering was carried out by heating in a vacuum oven. The soldering vacuum was at least 3 · 10 ^-5 mm Hg.

Определение характеристик смачиваемости и растекаемости проводилось согласно ГОСТ 20486 на пластинах толщиной 2,0 мм из бериллия ТГП-56, нержавеющей стали и монеля размером 40×40 мм.The wettability and spreadability characteristics were determined according to GOST 20486 on 2.0 mm thick TGP-56 beryllium plates, stainless steel and monel 40 × 40 mm in size.

Объем припоя во всех случаях составлял 64 мм³. Оценка растекаемости проводилась путем замера площади растекания на каждом из паяемых материалов после расплавления припоя. Критерием оценки смачиваемости являлся краевой угол смачивания, который определялся методом «лежачей капли».The volume of solder in all cases was 64 mm ³ . The spreadability was estimated by measuring the spreading area on each of the soldered materials after the solder melts. The criterion for assessing wettability was the wetting angle, which was determined by the method of "lying drops".

Для определения прочности разнородных соединений бериллия с нержавеющей сталью и бериллия с монелем проводилась пайка плоских образцов внахлестку, с величиной нахлестки, равной 3 толщинам образца. Образцы паялись в приспособлении из нержавеющей стали. Припой в виде фольги закладывался между образцами. Технологические свойства припоев, режимы пайки образцов и свойства соединений после эксплуатационных нагревов приведены в таблице 2.To determine the strength of heterogeneous compounds of beryllium with stainless steel and beryllium with monel, flat lap samples were brazed with an overlap of 3 sample thicknesses. Samples were soldered in a stainless steel fixture. Solder in the form of foil was laid between the samples. Technological properties of solders, soldering modes of samples and properties of joints after operational heating are shown in table 2.

Оценка вакуумной плотности паяных соединений проводилась при пайке круглых окон из бериллия с оправой из нержавеющей стали и монеля и испытании их в приспособлении на гелиевом течеискателе ПТИ-10.The vacuum density of the soldered joints was evaluated by soldering round beryllium windows with a stainless steel and monel frame and testing them in a device using a PTI-10 helium leak detector.

В таблице 2 представлены свойства паяных соединений бериллия с нержавеющей сталью 12Х18Н10Т и бериллия с монелем, полученные при оптимальных температурах пайки. Как видно, предлагаемый припой (примеры 1-3) отличается лучшим сочетанием технологических свойств, вакуумной плотности и прочности на срез при испытании нахлесточных соединений в сравнении с прототипом.Table 2 presents the properties of brazed compounds of beryllium with stainless steel 12X18H10T and beryllium with monel, obtained at optimal soldering temperatures. As you can see, the proposed solder (examples 1-3) is characterized by the best combination of technological properties, vacuum density and shear strength when testing lap joints in comparison with the prototype.

Припой хорошо смачивает разнородные материалы - бериллий, нержавеющую сталь и монель при температурах пайки. Сопротивление срезу паяных швов в разнородных нахлесточных соединениях бериллия с нержавеющей сталью 12Х18Н10Т и монелем достигает (100-120) МПа. Паяные швы обладают вакуумной плотностью. Припой хорошо деформируется в фольгу и проволоку.Solder wets well dissimilar materials - beryllium, stainless steel and monel at soldering temperatures. The shear resistance of brazed joints in dissimilar lap joints of beryllium with stainless steel 12X18H10T and monel reaches (100-120) MPa. Soldered seams have a vacuum density. Solder is well deformed into foil and wire.

Таким образом, применение предлагаемого припоя позволит заменить серебряные припои в конструкциях, использующих соединение бериллия с нержавеющей сталью и бериллия с монелем, снизить брак при пайке и обеспечить значительный экономический эффект при изготовлении паяных рентгеновских окон.Thus, the use of the proposed solder will replace silver solders in structures using a combination of beryllium with stainless steel and beryllium with monel, reduce brazing during soldering and provide a significant economic effect in the manufacture of brazed x-ray windows.

Таблица 1
Составы предлагаемых припоев и припоя-прототипа в мас.%Table 1
The compositions of the proposed solders and solder prototype in wt.% № п/пNo. p / p БериллийBeryllium МарганецManganese НикельNickel ТитанTitanium ЖелезоIron МагнийMagnesium АлюминийAluminum КремнийSilicon СереброSilver МедьCopper 1one 1,651.65 0,50.5 0,20.2 0,30.3 0,150.15 0,10.1 0,10.1 0,10.1 -- ОстальноеRest 22 2,02.0 0,70.7 0,40.4 0,50.5 0,250.25 0,20.2 0,150.15 0,150.15 -- 33 1,821.82 0,60.6 0,30.3 0,40.4 0,200.20 0,150.15 0,120.12 0,120.12 -- 4 (Прототип)4 (Prototype) -- -- -- -- -- -- -- -- 7272

Таблица 2table 2 № п/пNo. p / p СоединенияConnections Температура пайки, °СSoldering temperature, ° С Площадь растекания, см² Spreading area, cm ² Угол смачивания, град.Wetting angle, deg. Вакуумная плотность, (натекание μ_He, л·мк рт.ст/с)Vacuum density, (leakage μ _He , l · μ Hg / s) Предел прочности на срез τ_ср ²⁰, МПаShear strength τ _cf ²⁰ , MPa 1one Бериллий - 12Х18Н10ТBeryllium - 12X18H10T 940-945940-945 1010 20twenty <10^-7 <10 ^-7 105105 1212 15fifteen Бериллий - монельBeryllium - Monel 945-950945-950 1010 20twenty <10^-7 <10 ^-7 100one hundred 1212 15fifteen 22 Бериллий - 12Х18Н10ТBeryllium - 12X18H10T 940-945940-945 1010 20twenty <10^-7 <10 ^-7 115115 1212 15fifteen Бериллий - монельBeryllium - Monel 945-950945-950 1010 20twenty <10^-7 <10 ^-7 110110 1212 15fifteen 33 Бериллий - 12Х18Н10ТBeryllium - 12X18H10T 940-945940-945 1212 15fifteen <10^-7 <10 ^-7 100one hundred 1212 15fifteen Бериллий - монельBeryllium - Monel 945-950945-950 11eleven 15fifteen <10^-7 <10 ^-7 120120 1212 15fifteen 4 (Прототип)4 (Prototype) Бериллий - 12Х18Н10ТBeryllium - 12X18H10T 780-830780-830 88 30thirty <10^-7 <10 ^-7 6060 4four 4545 Бериллий - монельBeryllium - Monel 780-830780-830 88 30thirty <10^-7 <10 ^-7 8080 88 30thirty

Claims (1)

Припой на основе меди для пайки разнородных соединений бериллия с конструкционными сплавами, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий, марганец, титан, железо, алюминий, кремний, магний, никель при следующем соотношении компонентов, мас.%Copper based solder for soldering dissimilar compounds of beryllium with structural alloys, characterized in that it additionally contains beryllium, manganese, titanium, iron, aluminum, silicon, magnesium, nickel in the following ratio of components, wt.% БериллийBeryllium 1,65-2,01.65-2.0 МарганецManganese 0,5-0,70.5-0.7 ТитанTitanium 0,3-0,50.3-0.5 НикельNickel 0,2-0,40.2-0.4 ЖелезоIron 0,15-0,250.15-0.25 МагнийMagnesium 0,1-0,20.1-0.2 АлюминийAluminum 0,1-0,150.1-0.15 КремнийSilicon 0,1-0,150.1-0.15 МедьCopper ОстальноеRest