Запояване на алуминий
ЗАПОЯВАНЕ НА АЛУМИНИЕВИ СПЛАВИ
Алуминият съчетава много ценен набор от свойства: ниска плътност, висока топло- и електрическа проводимост, висока пластичност и висока устойчивост на корозия. Може лесно да се кове, щампова, валцува, изтегля.
Притежавайки висок афинитет към кислорода, алуминият във въздуха е покрит с тънък, но много здрав филм от алуминиев оксид Al2O3, който предпазва метала от по-нататъшно окисляване и определя неговите високи антикорозионни свойства. Силата на оксидния филм и неговият защитен ефект силно намаляват при наличие на примеси от живак, натрий, магнезий, мед и др.
Трудностите при запояване на алуминиеви сплави са свързани предимно с физикохимичните свойства на алуминия и високата устойчивост на неговия оксид. Запояването на алуминий има следните характеристики:
алуминиевата повърхност винаги е покрита с огнеупорен (Тmelt=2045С), химически и термично устойчив оксид, който предотвратява контакта на разтопената течна спойка с алуминиевата повърхност;
алуминият има сравнително нисък отрицателен електроден потенциал, което намалява корозионната устойчивост на спойката, когато е изложена на околната среда;
склонността на алуминия и неговите сплави към нежелани металургични взаимодействия при повишени температури (топене на границите на зърната, значителна химическа ерозия в спойката, образуване на крехки интерметални съединения и др.);
алуминият има висок топлинен капацитет - топлинният капацитет на алуминия в температурния диапазон 0-300С е 0,953 kJ / kgС, т.е. 2,5 пъти по-висок от топлинния капацитет на медта в този температурен диапазон, следователно при запояване на алуминиеви продукти са необходими достатъчно мощни източници на топлина за нагряване на продуктите, което води до образуването на широканагревателни зони и значителни деформации на запоени продукти;
алуминият и неговите сплави имат голям относителен коефициент на линейно разширение, който в температурния диапазон 20-400С е равен на 26,510 -6 С -1 (за желязо 13,910 -6 С -1 ), това причинява значителна деформация на продукта при нагряване за запояване и налага допълнителни трудности при получаване на точни размери, тъй като оборудването за продадено производството на алуминиеви сплави обикновено се прави от устойчиви на корозия аустенитни стомани или нихромови сплави, чийто коефициент на линейно разширение се различава значително от коефициента на линейно разширение на алуминиеви сплави;
потоците, използвани при запояване на алуминий и неговите сплави, в по-голямата си част причиняват активна корозия на запоените материали, така че техните остатъци трябва да бъдат внимателно отстранени след запояване;
много припои, които осигуряват висока механична якост на запоени съединения, направени от алуминиеви сплави и устойчивост на корозия, са сплави на базата на алуминий, следователно, за разлика от запояването на повечето други метали, разликата между температурата на запояване и температурата, при която запоеният метал може да се счупи под собственото си тегло, е относително малка. И така, запояването с евтектичен силумин се извършва при температура от 610 ° С, а температурата на началото на топенето на най-широко използваните AMts и AMg сплави за запояване е съответно 640 ° С и 630 ° С, което налага строги изисквания за спазване на температурния режим по време на запояване и технологичния процес.
Основната трудност при запояване на алуминий е свързана с наличието на повърхността му на тънък, самовъзстановяващ се филм от огнеупорен и химически инертен оксид, който предотвратява контакта между разтопената спойка и повърхността на запоения метал.
Алуминият има висок афинитет къмкислород. Протичащата реакция на повърхностно окисление фактически спира след 1 час, което води до образуване на оксиден филм с дебелина 2,5-5,0 nm, а при наличие на влага може да бъде до 10 nm. По-нататъшното окисление на алуминия се инхибира, тъй като образуваният филм надеждно изолира метала от кислорода.
Точката на топене на α-Al2O3 е 2045°C, точката на кипене е 2980°C. Налягането на парите на α-Al2O3 при неговата точка на топене е 45,5∙10 Pa; налягането на дисоциация на α-Al2O3 при температура 2000 ° C е 1,33∙10 -3 Pa, т.е. Al2O3 оксидът практически не се редуцира в използваната за тази цел газова среда и не се изпарява по време на запояване.
Наличието на оксиден филм върху повърхността на алуминия и неговите сплави предотвратява взаимодействието на разтопената спойка с него и води до появата на неприпояващи, оксидни и газови включвания, което пречи на производството на висококачествени спойки.
Друга трудност при спояването на алуминий и неговите сплави е отрицателният електроден потенциал на алуминия в сравнение с повечето други метали, което ограничава избора на спояващ състав, за да се осигури устойчивост на корозия на споената структура.
Zn се добавя към състава на спойките за подобряване на устойчивостта на корозия. Според J.D. Daud, положителният ефект на Zn се дължи на подобряване на съотношението на потенциалите на запоения метал и заваръчния шев. В този случай обаче процесите на пасивация играят важна роля; образуването на оксиден филм върху контактните повърхности на металите, възпрепятствайки развитието на корозия.
Следващата трудност при запояване на алуминий е склонността му към нежелани металургични взаимодействия при повишени температури (топене на границите на зърната, значителна химическа ерозия в спойките, образуване на крехки интерметални съединения и др.).тъй като с повечето нискотопими елементи, които са в основата на нискотопими спойки (Sn, Pb, Cd, Bi, In, Li, Na), той образува монотектични фазови диаграми с много слаба взаимна разтворимост на компонентите (с изключение на цинк, който образува евтектика с алуминий при температура 382 ° C и широк диапазон от твърди разтвори от страна на алуминий и калай). Поради това нискотемпературното спояване на алуминий и неговите сплави се използва много ограничено.
Всички изброени по-горе характеристики причиняват сериозни ограничения върху избора на технология за запояване (избор на състава и метода за въвеждане на спойка в запоени пролуки, методи за нагряване и активиране на запоени повърхности).
Устойчивият филм от алуминиев оксид, постоянно присъстващ върху повърхността на алуминия и неговите сплави, трябва да бъде отстранен непосредствено преди запояване. В допълнение, върху повърхностите на съединяваните алуминиеви части, които трябва да бъдат запоени, винаги има частици и вещества, останали след обработка под налягане или рязане (стружки, технологични течности), както и прах и мръсотия, отложени по време на транспортиране и съхранение.
Подготовката на повърхностите на частите, които ще се съединяват, е важна, тъй като от това зависи резултатът от целия процес на запояване.
Почистването трябва да се извърши непосредствено преди монтажа и запояването, тъй като върху повърхността на алуминия незабавно се образува филм от неговия оксид под формата на слой с дебелина -3–10 -4 Pa) с едновременното прилагане на определена сила на разклащане в точката на контакт. Осигуряването на минимална междина и прилагането на сила на натиск в контактната точка на запоените части е необходимо условие за висококачествено образуване на спойка по време на вакуумно запояване. Съвременната технология включва използването на висок вакуум с остатъчно налягане от 10 -2 - 10 -3 Pa и въвеждане на парамагнезий в работния обем на камерата.
Положителният ефект на магнезия върху способността за спояване на алуминия е открит от C. J. Miller в началото на 60-те години. Има две мнения за действието на магнезия:
– ролята на магнезия се свежда главно до почистване на вакуумираното пространство на пещта (2MgO + O2 = 2MgO и Mg + H2O = MgO + H2) и частично редуциране на алуминия от оксидния филм (Al2O3 + 3Mg = 3MgO + 2Al);
– известно е, че в системата Al-Si-Mg се образуват две евтектики: една богата на силиций с точка на топене 550°C и една богата на магнезий с точка на топене 450°C. Възможността за провеждане на процеса на спояване на алуминий със силумин в магнезиеви пари при 560 ° C доказва наличието на контактно твърдо-газово топене.
Магнезият най-често се въвежда в зоната на запояване в компактни заготовки или чрез използване на плакирани алуминиеви листове, съдържащи 0,2-2,0% Mg.
При вакуумно запояване на алуминий без флюс устойчивостта на корозия на продуктите се увеличава, производствените разходи намаляват и възможностите за производство на запоени конструкции със сложна форма със затворени канали, които са доста трудни за почистване по време на запояване с поток, се разширяват.
Възможно е да се увеличи производителността на вакуумното запояване чрез използване на многокамерни непрекъснати пещи. Такива пещи могат да имат от три до седем камери: за сушене на продукта, създаване на вакуум, предварително нагряване, запояване, вход на инертен газ и охлаждане.
В допълнение, производителността на процеса може да се увеличи чрез преминаване към по-нисък вакуум. Стойността на остатъчното налягане по време на вакуумно запояване характеризира количеството остатъчен кислород и влага. Следователно, с увеличаване на остатъчното налягане, за да се поддържат ниски стойности на парциалните налягания на кислород (Po2) и вода (Pn2o), е необходимо да се използвагеттери, които активно абсорбират O2 и H2O при температура на запояване. Използването само на магнезиеви пари в условия на предвакуум не дава положителен ефект поради окисляването на източниците на пара, в резултат на което процесът на изпаряване се нарушава и може да спре. Като неизпаряващ се геттер може да се използва титан или цирконий. Например, разработена е технология за запояване на високоактивни метали, при която запояването се извършва в специален допълнителен контейнер с уплътнение, запечатано от неизпаряващ се геттер - натрошена титанова гъба, която при температури от 500-550 ° C започва активно да абсорбира главно кислород, частично азот и други газове, намалявайки парциалното налягане на O2 и H2O и създавайки окислителна атмосфера вътре в контейнера, осигуряване на висококачествено запояване на Al-сплави и Ti-сплави ov при растеж ≈0.1-10 Pa.