Пайка нержавеющей стали: Объяснения

1. Характеристики пайки

Основной проблемой при пайке нержавеющей стали является наличие оксидных пленок на поверхности, которые существенно влияют на смачиваемость и растекание присадочного металла.

Различные нержавеющие стали содержат значительное количество Cr, а некоторые также содержат такие элементы, как Ni, Ti, Mn, Mo, Nb и т.д., которые могут образовывать на поверхности различные оксиды и даже сложные оксиды. Среди них оксиды Cr и Ti, Cr₂O₃ и TiO₂Они довольно устойчивы и трудно поддаются удалению.

При пайке на воздухе для их удаления требуется активный флюс. При пайке в защитной атмосфере оксидная пленка может быть уменьшена только при низкой точке росы, атмосфере высокой чистоты и достаточно высокой температуре. При пайке в вакууме для достижения хорошего эффекта пайки необходимы высокий вакуум и температура.

Другой проблемой при пайке нержавеющей стали является то, что температура нагрева оказывает значительное влияние на микроструктуру основного материала. Температура нагрева при пайке аустенитной нержавеющей стали не должна превышать 1150°C, так как может произойти чрезмерный рост зерна.

Если аустенитная нержавеющая сталь не содержит стабилизирующих элементов, таких как Ti или Nb, и имеет высокую содержание углеродаСледует избегать пайки в диапазоне температур сенсибилизации (500-850°C) во избежание выпадения карбидов хрома и снижения коррозионной стойкости.

Выбор температуры для мартенситная нержавеющая сталь Пайка является более строгой. Она либо требует, чтобы температура пайки соответствовала температуре закалки, сочетая процесс пайки с процессом термообработки, или температура пайки должна быть ниже температуры отпуска, чтобы предотвратить размягчение основного материала во время пайки.

Принцип выбора температуры при пайке нержавеющей стали с осадковым упрочнением такой же, как и для мартенситной нержавеющей стали, где температура пайки должна соответствовать режиму термообработки для получения оптимальных механических свойств.

Помимо двух вышеперечисленных основных проблем, аустенитная нержавеющая сталь склонна к растрескиванию под напряжением во время пайки, особенно при пайке с медно-цинковыми присадочными металлами. Для предотвращения растрескивания заготовка должна быть подвергнута снятию напряжения отжиг перед пайкой, а нагрев заготовки во время пайки должен быть как можно более равномерным.

  2. Материалы для пайки

   (1) Металлы-наполнители

 В соответствии с требованиями к сварным изделиям из нержавеющей стали для пайки нержавеющей стали обычно используются такие присадочные металлы, как оловянно-свинцовый припой, присадочные металлы на основе серебра, присадочные металлы на основе меди, присадочные металлы на основе марганца, присадочные металлы на основе никеля и присадочные металлы из драгоценных металлов.

Оловянно-свинцовые припои в основном используются для мягкой пайки нержавеющей стали, при этом предпочтительнее высокое содержание олова. Чем выше содержание олова в припое, тем лучше его смачиваемость нержавеющей стали.

Прочность на срез соединений из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti, паянных несколькими широко используемыми оловянно-свинцовыми припоями, приведена в таблице 3. Из-за низкой прочности соединения он используется только для пайки деталей с низкими требованиями к несущей способности.

Таблица 3 Прочность на сдвиг соединений из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti, паянных оловянно-свинцовым припоем

Присадочные металлы на основе серебра являются наиболее распространенными присадочными металлами для пайки нержавеющей стали, причем присадочные металлы на основе серебра-меди-цинка и серебра-меди-цинка-кадмия наиболее широко используются благодаря их минимальному влиянию на свойства основного материала. температуры пайки.

Прочность соединений из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti, паянных с несколькими широко используемыми присадочными металлами на основе серебра, приведена в таблице 4. Соединения из нержавеющей стали, паянные с присадочными металлами на основе серебра, редко используются в высококоррозионных средах, а рабочая температура соединений обычно не превышает 300°C.

При пайке нержавеющей стали без никеля следует использовать присадочный металл с более высоким содержанием никеля, например B-Ag50CuZnCdNi, для предотвращения коррозии паяного соединения во влажной среде.

При пайке мартенситной нержавеющей стали следует использовать присадочный металл с температурой пайки не выше 650°C, например B-Ag40CuZnCd, чтобы предотвратить размягчение основного материала.

При пайке нержавеющей стали в защитной атмосфере для удаления оксидной пленки на поверхности можно использовать самофлюсующийся присадочный металл, содержащий литий, например B-Ag92CuLi и B-Ag72CuLi.

При пайке нержавеющей стали в вакууме можно выбрать серебряный присадочный металл, содержащий такие элементы, как Mn, Ni и Rd, чтобы обеспечить хорошую смачиваемость присадочного металла даже без легко испаряющихся элементов, таких как Zn и Cd.

Таблица 4 Сила Соединения из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti, паянные металлами-наполнителями на основе серебра

Основными паяльными материалами на основе меди, используемыми для пайки различных стальных соединений, являются чистая медь, медно-никелевые и медно-марганцево-кобальтовые паяльные материалы. Чистая пайка меди Материал в основном используется для пайки в условиях газовой защиты или вакуума.

Он подходит для соединений нержавеющей стали с рабочей температурой не выше 400℃, но его стойкость к окислению не очень хорошая. Медно-никелевый паяльный материал в основном используется для пайки пламенем и индукционной пайки.

Прочность паяного соединения из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti приведена в таблице 5. Видно, что соединение имеет такую же прочность, как и основной материал, и может работать при более высоких температурах.

Медно-марганцево-кобальтовый припойный материал в основном используется для пайки мартенситной нержавеющей стали в защитной атмосфере. Прочность и рабочая температура соединения могут быть сопоставимы с прочностью и рабочей температурой соединения, паяного припоем на основе золота.

Например, производительность соединения из нержавеющей стали 1Cr13, паяного припоем B-Cu58MnCo, эквивалентна производительности такого же соединения из нержавеющей стали, паяного припоем B-Au82Ni (см. табл. 6), но стоимость производства значительно снижена.

Таблица 5 Прочность на сдвиг соединения из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti, паяного высокотемпературным припоем на основе меди.

Таблица 5 Прочность на сдвиг соединения из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti, паяного высокотемпературным припоем на основе меди.

Таблица 6 Прочность на сдвиг паяных соединений из нержавеющей стали 1Cr13

Паяльные материалы на основе марганца в основном используются для пайки с газовой защитой, при этом требуется газ высокой чистоты. Чтобы предотвратить рост зерен в основном материале, рекомендуется использовать температуру пайки ниже 1150℃ с соответствующим паяльным материалом.

Удовлетворительные результаты пайки могут быть достигнуты при пайке соединений из нержавеющей стали с использованием паяльных материалов на основе марганца, как показано в таблице 7. Соединение может выдерживать рабочую температуру до 600℃.

Таблица 7 Прочность на сдвиг соединений из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti, паянных припоем на основе марганца.

Когда припой на основе никеля используется для пайки нержавеющей стали, соединение имеет хорошие высокотемпературные характеристики. Этот тип припоя обычно используется для пайки с газовой защитой или вакуумной пайки.

Для преодоления проблемы чрезмерного образования хрупких соединений в паяном соединении, что приводит к значительному снижению прочности и пластичности соединения, необходимо максимально уменьшить зазор в соединении, а элементы, легко образующие хрупкие фазы в припое, должны быть полностью диффундированы в основной материал.

Чтобы предотвратить рост зерен в основном материале при температуре пайки из-за чрезмерного времени изоляции, после пайки можно использовать кратковременную изоляцию и низкотемпературную (по сравнению с температурой пайки) диффузионную обработку.

Припои из драгоценных металлов, используемые для пайки нержавеющей стали, в основном включают припои на основе золота и палладийсодержащие припои, среди которых наиболее типичными являются B-Au82Ni и B-Ag54CuPd. Припой B-Au82Ni обладает хорошей смачиваемостью.

Паяное соединение из нержавеющей стали обладает высокой высокотемпературной прочностью и устойчивостью к окислению, а максимальная рабочая температура может достигать 800℃. B-Ag54CuPd имеет схожие характеристики с B-Au82Ni и более низкую цену, поэтому существует тенденция к замене B-Au82Ni.

(2) Паяльный флюс и атмосфера печи: Поверхность нержавеющей стали содержит оксиды, такие как Cr₂O₃ и TiO₂, которые должны быть удалены с помощью активного флюса. При пайке нержавеющей стали оловянно-свинцовым припоем в качестве флюса можно использовать раствор фосфорной кислоты или солянокислый раствор оксида цинка.

Раствор фосфорной кислоты имеет короткое время активации и требует метода пайки с быстрым нагревом. При пайке нержавеющей стали припоем на основе серебра можно использовать флюс FB102, FB103 или FB104. При пайке нержавеющей стали припоем на основе меди используется флюс FB105 из-за более высокой температуры пайки.

При пайке нержавеющей стали в печи обычно используется вакуумная атмосфера или защитные атмосферы, такие как водород, аргон и разложившийся аммиак. При вакуумной пайке давление вакуума должно быть ниже 10-2Pa.

При пайке в защитной атмосфере точка росы газа не должна превышать -40℃. Если чистота газа недостаточна или температура пайки невысока, в атмосферу можно добавить небольшое количество газового потока, например, трифторида бора.

3. Техника пайки

Перед пайкой нержавеющей стали необходимо провести тщательную очистку для удаления жировой и масляной пленки, а пайку следует проводить сразу после очистки.

Пайка нержавеющей стали может осуществляться с использованием пламени, индукции или печного нагрева. Печь, используемая для пайки, должна иметь хорошую систему контроля температуры (отклонение температуры пайки должно быть в пределах ±6℃) и иметь возможность быстрого охлаждения.

При использовании водорода в качестве защитного газа для пайки требования к водороду зависят от температуры пайки и состава основного материала.

То есть, чем ниже температура пайки и чем выше содержание стабилизатора в основном материале, тем ниже должна быть точка росы газообразного водорода.

Например, для мартенситных нержавеющих сталей, таких как 1Cr13 и Cr17Ni2t, точка росы газообразного водорода должна быть ниже -40℃ при температуре пайки 1000℃; для нестабилизированных хромоникелевых нержавеющих сталей 18-8 точка росы газообразного водорода должна быть ниже 25℃ при температуре пайки 1150℃; но для нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti с титан стабилизатора, точка росы газообразного водорода при температуре пайки 1150℃ должна быть ниже -40℃.

При использовании аргона в качестве защитного газа для пайки требуется более высокая чистота аргонового газа.

Если на поверхность нержавеющей стали наносится медное или никелевое покрытие, требования к чистоте защитного газа могут быть снижены.

Чтобы обеспечить удаление оксидной пленки на поверхности нержавеющей стали, можно добавить газовый флюс BF3 или использовать самофлюсующиеся припои, содержащие литий или бор. Вакуум, необходимый для вакуумной пайки нержавеющей стали, зависит от температуры пайки. С повышением температуры пайки необходимая степень вакуума может быть снижена.

Основной процесс после пайки нержавеющей стали заключается в очистке от остатков флюса и ингибитора флюса, а также, при необходимости, в проведении термообработки после пайки. В зависимости от используемого флюса и метода пайки остатки флюса могут быть удалены с помощью промывки водой, механической или химической очистки.

Если для очистки остатков флюса или оксидной пленки вблизи соединения используется абразив, песок или другие неметаллические следует использовать мелкие частицы.

Для деталей из мартенситной нержавеющей стали и нержавеющей стали с осадковой закалкой требуется термическая обработка после пайки в соответствии со специальными требованиями к материалу.

Соединения из нержавеющей стали, паянные никель-хром-борными и никель-хром-кремниевыми припоями, часто подвергают диффузионной термообработке после пайки, чтобы снизить требования к зазорам в швах и улучшить структуру и свойства соединения.