Пайка нержавеющей стали

Пайка нержавеющей стали

1. Пайемость

Основная проблема при пайке нержавеющей стали заключается в том, что оксидная пленка на поверхности серьезно влияет на смачивание и растекание припоя. Различные нержавеющие стали содержат значительное количество хрома, а некоторые также содержат никель, титан, марганец, молибден, ниобий и другие элементы, которые могут образовывать на поверхности различные оксиды или даже композитные оксиды. Среди них оксиды Cr2O3 и TiO2 из хрома и титана достаточно стабильны и трудно удаляются. При пайке на воздухе для их удаления необходимо использовать активный флюс; при пайке в защитной атмосфере оксидная пленка может быть восстановлена ​​только в атмосфере высокой чистоты с низкой точкой росы и достаточно высокой температурой; при вакуумной пайке для достижения хорошего эффекта пайки необходимо обеспечить достаточный вакуум и достаточную температуру.

Еще одна проблема пайки нержавеющей стали заключается в том, что температура нагрева оказывает серьезное влияние на структуру основного металла. Температура нагрева при пайке аустенитной нержавеющей стали не должна превышать 1150 ℃, иначе произойдет серьезный рост зерна; если аустенитная нержавеющая сталь не содержит стабильных элементов Ti или Nb и имеет высокое содержание углерода, следует избегать пайки в диапазоне температур сенсибилизации (500 ~ 850 ℃), чтобы предотвратить снижение коррозионной стойкости из-за осаждения карбида хрома. Выбор температуры пайки для мартенситной нержавеющей стали более строгий. Во-первых, необходимо согласовать температуру пайки с температурой закалки, чтобы совместить процесс пайки с процессом термообработки; во-вторых, температура пайки должна быть ниже температуры отпуска, чтобы предотвратить размягчение основного металла во время пайки. Принцип выбора температуры пайки для нержавеющей стали с дисперсионным упрочнением аналогичен принципу для мартенситной нержавеющей стали, то есть температура пайки должна соответствовать системе термообработки для получения наилучших механических свойств.

В дополнение к двум вышеупомянутым основным проблемам, при пайке аустенитной нержавеющей стали, особенно при использовании медно-цинкового припоя, наблюдается тенденция к образованию трещин от напряжений. Для предотвращения образования трещин от напряжений заготовку следует предварительно подвергнуть отжигу для снятия напряжений перед пайкой, а также обеспечить равномерный нагрев заготовки во время пайки.

2. Припой

(1) В соответствии с требованиями к применению сварных соединений из нержавеющей стали, в качестве припоев для сварных соединений из нержавеющей стали обычно используются следующие припои: олово-свинцовый припой, припой на основе серебра, припой на основе меди, припой на основе марганца, припой на основе никеля и припой из драгоценных металлов.

Олово-свинцовый припой в основном используется для пайки нержавеющей стали, и для него подходит высокое содержание олова. Чем выше содержание олова в припое, тем лучше его смачиваемость нержавеющей стали. Прочность на сдвиг соединений из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti, спаянных несколькими распространенными олово-свинцовыми припоями, приведена в таблице 3. Из-за низкой прочности соединений они используются только для пайки деталей с малой несущей способностью.

Таблица 3. Прочность на сдвиг соединения из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti, спаянного олово-свинцовым припоем.

Припои на основе серебра являются наиболее часто используемыми припоями для пайки нержавеющей стали. Среди них наиболее широко применяются припои на основе серебра, меди и цинка, а также серебра, меди, цинка и кадмия, поскольку температура пайки мало влияет на свойства основного металла. Прочность соединений из нержавеющей стали ICr18Ni9Ti, спаянных несколькими распространенными припоями на основе серебра, приведена в таблице 4. Соединения из нержавеющей стали, спаянные припоями на основе серебра, редко используются в высококоррозионных средах, и рабочая температура соединений обычно не превышает 300 ℃. При пайке нержавеющей стали без никеля, чтобы предотвратить коррозию паяного соединения во влажной среде, следует использовать припой с большим содержанием никеля, например, b-ag50cuzncdni. При пайке мартенситной нержавеющей стали, чтобы предотвратить размягчение основного металла, следует использовать припой с температурой пайки не выше 650 ℃, например, b-ag40cuzncd. При пайке нержавеющей стали в защитной атмосфере для удаления оксидной пленки с поверхности можно использовать самопаяльные флюсы, содержащие литий, такие как b-ag92culi и b-ag72culi. При пайке нержавеющей стали в вакууме, чтобы припой сохранил хорошую смачиваемость и не содержал легко испаряющихся элементов, таких как Zn и CD, можно выбрать серебряный припой, содержащий элементы, такие как Mn, Ni и RD.

Таблица 4. Прочность соединения из нержавеющей стали ICr18Ni9Ti, припаянного припоем на основе серебра.

В качестве припоев на основе меди для пайки различных сталей в основном используются чистая медь, медь-никель и медь-марганец-кобальтовые припои. Чистая медь в основном используется для пайки в защитной газовой среде или вакууме. Рабочая температура соединения нержавеющей стали не превышает 400 ℃, но соединение обладает низкой стойкостью к окислению. Медь-никель в основном используется для пламенной и индукционной пайки. Прочность паяного соединения из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti показана в таблице 5. Видно, что соединение имеет ту же прочность, что и основной металл, и высокую рабочую температуру. Медь-марганец-кобальтовый припой в основном используется для пайки мартенситной нержавеющей стали в защитной атмосфере. Прочность соединения и рабочая температура сопоставимы с соединениями, спаянными припоем на основе золота. Например, соединение из нержавеющей стали 1Cr13, спаянное припоем b-cu58mnco, имеет те же характеристики, что и соединение из той же нержавеющей стали, спаянное припоем b-au82ni (см. Таблицу 6), но при этом значительно снижается себестоимость производства.

Таблица 5. Прочность на сдвиг соединения из нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti, припаянного высокотемпературным медным припоем.

Таблица 6. Прочность на сдвиг паяного соединения из нержавеющей стали 1Cr13.

Марганцевые припои в основном используются для пайки в защитной газовой среде, при этом требуется высокая чистота газа. Чтобы избежать роста зерен основного металла, следует выбирать соответствующий припой с температурой пайки ниже 1150 ℃. Удовлетворительный эффект пайки можно получить для соединений из нержавеющей стали, спаянных марганцевым припоем, как показано в таблице 7. Рабочая температура соединения может достигать 600 ℃.

Таблица 7. Прочность на сдвиг соединения из нержавеющей стали LCR18NI9FI, спаянного припоем на основе марганца.

При пайке нержавеющей стали никелевым припоем соединение обладает хорошими высокотемпературными характеристиками. Этот припой обычно используется для пайки в защитной газовой среде или вакуумной пайки. Для преодоления проблемы образования большего количества хрупких соединений в процессе пайки, что серьезно снижает прочность и пластичность соединения, зазор в соединении должен быть минимизирован, чтобы обеспечить полную диффузию элементов, легко образующих хрупкую фазу в припое, в основной металл. Для предотвращения роста зерен основного металла из-за длительной выдержки при температуре пайки, после сварки можно применять такие меры, как кратковременная выдержка и диффузионная обработка при более низкой температуре (по сравнению с температурой пайки).

В качестве припоев для пайки нержавеющей стали в основном используются припои на основе благородных металлов, в том числе припои на основе золота и палладия, наиболее типичными из которых являются b-au82ni, b-ag54cupd и b-au82ni, обладающие хорошей смачиваемостью. Паяное соединение из нержавеющей стали обладает высокой прочностью при высоких температурах и стойкостью к окислению, а максимальная рабочая температура может достигать 800 ℃. Припой b-ag54cupd имеет схожие характеристики с b-au82ni, но при этом стоит дешевле, поэтому его часто используют вместо b-au82ni.

(2) Поверхность нержавеющей стали в атмосфере флюса и печи содержит оксиды, такие как Cr2O3 и TiO2, которые можно удалить только с помощью флюса с высокой активностью. При пайке нержавеющей стали олово-свинцовым припоем подходящим флюсом является водный раствор фосфорной кислоты или раствор оксида цинка в соляной кислоте. Время активности водного раствора фосфорной кислоты короткое, поэтому необходимо использовать метод пайки с быстрым нагревом. Для пайки нержавеющей стали припоями на основе серебра можно использовать флюсы Fb102, fb103 или fb104. При пайке нержавеющей стали припоем на основе меди используется флюс fb105 из-за высокой температуры пайки.

При пайке нержавеющей стали в печи часто используется вакуумная атмосфера или защитная атмосфера, например, водород, аргон и разложение аммиака. При вакуумной пайке вакуумное давление должно быть ниже 10⁻² Па. При пайке в защитной атмосфере точка росы газа не должна быть выше -40 ℃. Если чистота газа недостаточна или температура пайки невысока, в атмосферу можно добавить небольшое количество газового припоя, например, трифторида бора.

2. Технология пайки

Нержавеющую сталь перед пайкой необходимо тщательно очистить, чтобы удалить жир и масляную пленку. Пайку лучше проводить сразу после очистки.

Для пайки нержавеющей стали можно использовать пламенный, индукционный и среднетемпературный методы нагрева в печи. Печь для пайки должна иметь хорошую систему контроля температуры (отклонение температуры пайки должно составлять ± 6 ℃) и обеспечивать быстрое охлаждение. При использовании водорода в качестве защитного газа для пайки требования к водороду зависят от температуры пайки и состава основного металла, то есть чем ниже температура пайки, тем больше стабилизатора в основном металле и тем ниже требуется точка росы водорода. Например, для мартенситных нержавеющих сталей, таких как 1Cr13 и CR17NI2T, при пайке при 1000 ℃ точка росы водорода должна быть ниже -40 ℃; для хромоникелевой нержавеющей стали 18-8 без стабилизатора точка росы водорода должна быть ниже 25 ℃ при пайке при 1150 ℃. Однако для нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti, содержащей титановый стабилизатор, точка росы водорода должна быть ниже -40 ℃ при пайке при температуре 1150 ℃. При пайке с защитой аргоном требуется более высокая чистота аргона. Если на поверхность нержавеющей стали нанесено покрытие из меди или никеля, требования к чистоте защитного газа могут быть снижены. Для обеспечения удаления оксидной пленки с поверхности нержавеющей стали можно также добавлять газовый флюс BF3, а также использовать самофлюсующийся припой, содержащий литий или бор. При вакуумной пайке нержавеющей стали требования к степени вакуума зависят от температуры пайки. С повышением температуры пайки требуемый вакуум может быть снижен.

Основной процесс обработки нержавеющей стали после пайки заключается в очистке от остатков флюса и ингибитора текучести, а также, при необходимости, в проведении последующей термообработки. В зависимости от используемого флюса и метода пайки, остатки флюса могут быть смыты водой, очищены механически или химически. Если для очистки остатков флюса или оксидной пленки в зоне нагрева вблизи соединения используется абразив, следует использовать песок или другие неметаллические мелкие частицы. Детали из мартенситной нержавеющей стали и нержавеющей стали с дисперсионным упрочнением требуют термообработки в соответствии со специальными требованиями материала после пайки. Соединения нержавеющей стали, спаянные припоями NiCrB и NiCrSi, часто подвергаются диффузионной термообработке после пайки для уменьшения требований к зазору припоя и улучшения микроструктуры и свойств соединений.