Покрытое слоем тугоплавкого припоя изделие - RU2581937C1

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к новой концепции высокотемпературной пайки, к способу обеспечения покрытого слоем тугоплавкого припоя изделия, к покрытому слоем тугоплавкого припоя изделию, полученному этим способом, и к покрытому слоем тугоплавкого припоя изделию. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу обеспечения паяного изделия, к паяному изделию, полученному этим способом, к способу обеспечения покрытого изделия и применениям покрытого слоем тугоплавкого припоя изделия.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сегодня существуют различные способы соединения для соединения вместе сплавов, имеющих высокие температуры плавления. Под высокой температурой подразумевается температура плавления выше чем 900°C. Одним общепринятым способом, который используют, является сварка. Сварка относится к способу, в котором основной материал плавят с дополнительным материалом или без него, т.е. к созданию литого изделия путем плавления и повторного затвердевания. Другим способом соединения является высокотемпературная пайка. В процессе высокотемпературной пайки к основному материалу добавляют тугоплавкую присадку и тугоплавкая присадка плавится во время процесса при температуре выше 450°C, т.е. формируя жидкую межфазовую поверхность при температуре ниже, чем температура ликвидуса основного материала, подлежащего соединению. При высокотемпературной пайке жидкая межфазовая поверхность должна иметь хорошее смачивание и текучесть. Низкотемпературная пайка является процессом, в котором две или больше металлических детали соединяют вместе путем плавления и натекания присадочного металла, т.е. припоя, в соединение, причем легкоплавкий припой имеет температуру плавления ниже, чем обрабатываемая деталь. При высокотемпературной пайке присадочный металл плавится при более высокой температуре, чем легкоплавкий припой, но при этом металл обрабатываемой детали не плавится. Различие между низкотемпературной пайкой и высокотемпературной пайкой основывается на температуре плавления присадочного припоя. Температура 450°C обычно используется, как точка практического разграничения между низкотемпературной пайкой и высокотемпературной пайкой.

При высокотемпературной пайке тугоплавкая присадка наносится в соприкосновение с зазором или промежутком между основным материалом, подлежащим соединению. В процессе нагрева тугоплавкая присадка плавится и заполняет зазор, подлежащий соединению. В процессе высокотемпературной пайки существуют три главные стадии, причем первая стадия называется физической стадией. Физическая стадия включает в себя смачивание и растекание тугоплавкой присадки. Вторая стадия обычно происходит при заданной температуре соединения. Во время этой стадии осуществляется взаимодействие твердое тело - жидкость, которое сопровождается существенным массопереносом. Объем основного материала, который непосредственно примыкает к жидкому присадочному металлу, либо растворяется в присадочном металле, либо реагирует с ним на этой стадии. Одновременно небольшое количество элементов из жидкой фазы проникает в твердый основной материал. Это перераспределение компонентов в области соединения приводит к изменениям состава присадочного металла, и иногда к началу затвердевания присадочного металла. Последняя стадия, которая перекрывает вторую, характеризуется образованием окончательной микроструктуры соединения и продолжается во время затвердевания и охлаждения соединения.

Способом, тесно связанным со сваркой и высокотемпературной пайкой, является диффузионная высокотемпературная пайка (DFB), также называемая соединением в исчезающей жидкой фазе (TLP) или активированным диффузионным соединением (ADB). Иногда упоминается диффузионное соединение, но диффузионное соединение относится к диффузионной высокотемпературной пайке или к диффузионной сварке, и в настоящем термин диффузионное соединение рассматривается как нестандартный.

Диффузионная высокотемпературная пайка (DFB), соединение в исчезающей жидкой фазе (TLP) или активированное диффузионное соединение (ADB) является процессом, который сращивает или соединяет металлы их нагревом до подходящей температуры высокотемпературной пайки, при которой либо предварительно размещенный присадочный металл будет плавиться или перетекать под влиянием капиллярного притяжения, либо жидкая фаза будет образовываться на месте между двумя поверхностями, находящимися в соприкосновении друг с другом. В любом случае присадочный металл диффундирует в основной материал до тех пор, пока физические и механические свойства соединения не станут почти идентичными свойствам основного металла. Два критических аспекта DFB, TLP или ADB являются такими:

- жидкость должна быть образована и стать активной в области соединения; и

- должна произойти обширная диффузия элементов присадочного металла в основной материал.

Способами получения соединения, похожего или такого же, как соединение, полученное при использовании DFB, TLP или ADB, но имеющего преимущество высокотемпературной пайки, например, имеющего возможность запаивать большие зазоры и т.д., представляют собой применение технологии высокотемпературной пайки и тугоплавких присадок, раскрытые в WO 2002/38327, WO 2008/060225 и WO 2008/060226. Применяют тугоплавкую присадку, т.е. тугоплавкий припой, с составом, близким к основному материалу, но с добавленными понижающими температуру плавления компонентами, например, кремнием и/или бором, и/или фосфором. Тем самым паяное соединение будет иметь состав, близкий к основному материалу после высокотемпературной пайки, поскольку тугоплавкая присадка имела состав, подобный основному материалу, при этом тугоплавкая присадка смешивается с основным материалом, благодаря растворению основного материала, и понижающие температуру плавления компоненты диффундируют в основной материал.

Существует множество причин для выбора определенного способа соединения, такие как стоимость, производительность, безопасность, скорость и свойства соединенного изделия. Родственные Е-модули будут уменьшать риск высоких напряжений в материале с более высоким Е-модулем, когда материал нагружается. При похожем коэффициенте теплового расширения результатом будет уменьшение термически индуцированных напряжений. При похожем электрохимическом потенциале результатом будет уменьшение риска коррозии.

Применение присадок, т.е. сплавов, при соединении основных металлов является сложным процессом. Присадка должна находиться в форме, которая могла бы быть нанесена на основной металл перед нагревом. Обычно присадки представляют собой частицы, соответственно произведенные сверхтонким измельчением, но присадки также могут быть в форме фольги, произведенной "формованием из расплава", т.е. быстрым затвердеванием (RS). Что касается RS, то посредством RS можно производить лишь ограниченное число составов. Число составов, которые могут быть изготовлены в виде частиц, т.е. порошка, значительнее, и обычным способом производства порошков является сверхтонкое измельчение. Когда присадки находятся в форме порошков, тогда их часто комбинируют со связующими для образования пасты, которая может быть нанесена на основной металл любым подходящим образом. Производство фольги или производство порошков для сплава является сложными процессами, и, следовательно, дороги. Когда используют порошки, порошки наносят подходящим образом в форме пасты, как упомянуто выше, это добавит дополнительный этап в процесс, поскольку паста должна быть смешана со связующими и другими компонентами, которые являются практически значимыми для свойств пасты. В обоих процессах выполняется большой объем работы для получения правильной формы, свойств, внешнего вида и состава присадки перед плавлением и соединением.

ИЗОБРЕТЕНИЕ

Целью изобретения является уменьшение количества этапов процесса соединения подложек из основных материалов. Другой целью является упрощение соединения основных материалов и, таким образом, уменьшение затрат.

Если это возможно, при выборе тугоплавких присадок выгодным является состав, близкий к основному материалу, поскольку основной материал был выбран для целей изделия. Если бы это было возможно, и затраты были бы неограниченными, лучше всего было бы разработать по одной тугоплавкой присадке для каждого основного материала. Следовательно, другой целью изобретения является сокращение необходимого числа тугоплавких присадок.

Соответственно настоящее изобретение предлагает решение технических проблем и целей с помощью новой изобретательской концепции высокотемпературной пайки. Первый аспект относится к способу обеспечения покрытого слоем тугоплавкого припоя изделия, содержащему следующие этапы:

Этап (i) нанесение одного или больше источников кремния и одного или больше источников бора на по меньшей мере часть поверхности подложки, при этом упомянутый по меньшей мере один источник бора и упомянутый по меньшей мере один источник кремния являются бескислородными за исключением неизбежных количеств загрязняющего кислорода, и при этом подложка содержит основной материал, имеющий температуру солидуса выше 1100°C;

Этап (ii) нагрев подложки, имеющей нанесенный источник бора и нанесенный источник кремния, до температуры ниже, чем температура солидуса основного материала подложки; и

Этап (iii) охлаждение подложки, имеющей нанесенный источник бора и нанесенный источник кремния, и получения покрытого слоем тугоплавкого припоя изделия.

Подложка представляет собой детали получаемого изделия, детали могут быть, например, но не ограничены этим, толстыми деталями, такими как сепараторы или отстойники и т.д. или тонкими деталями, такими как пластины или катушки, т.е. подложка может быть любыми деталями, которые должны быть соединены или на которые следует нанести покрытие. Подложки также могут быть обрабатываемыми деталями. Подложки могут быть из основных материалов, т.е. материала, подлежащего высокотемпературной пайке.

Основной материал представляет собой металл или сплав. Сплав определяется как однородное объединение или соединение двух или более элементов, причем сплав обладает выраженным показателем всех или большинства тех характеристик, которые обычно описываются как металлические. Сплавы являются соединениями, а не только смесями. Металл относится к элементу, который имеет металлические свойства.

Примерами основных материалов согласно первому аспекту могут быть основные материалы, представленные в списке Таблицы 1, причем основные материалы не ограничены этим списком и являются только примерами возможных основных материалов.

В зависимости от того, какой основной материал используется, существуют различные предпочтительные основные материалы, имеющие различные температуры солидуса, т.е. температуру, при которой материал затвердевает. В соответствии с одним примером температура солидуса основного материала может быть выше 1100°C. В соответствии с другим примером температура солидуса основного материала может быть выше 1220°C. В соответствии с другим примером температура солидуса основного материала может быть выше 1250°C. В соответствии с дополнительным примером температура солидуса основного материала может быть выше 1300°C.

Соединения являются комбинациями двух или более элементов. Стекло, сталь, оксид железа являются веществами, в которых каждый атом притягивается всеми смежными атомами так, чтобы составить однородное или почти однородное твердое тело, причем такие тела сами по себе очевидно не являются механическими смесями, при этом химические соединения переменного или неопределенного состава, такие как силикаты и полимеры, химически комбинируются, но являются соединением переменного состава.

Не будучи связанными ни с какой-либо конкретной теорией, изобретатели полагают, что присутствие бора обеспечивает смачиваемость и понижение температуры плавления, а присутствие кремния обеспечивает понижение температуры плавления.

Источник бора относится к элементарному бору (B), сплаву или соединению, содержащему бор.

Источник кремния относится к элементарному кремнию (Si), сплаву или соединению, содержащему кремний.

В соответствии с дополнительным примером способ содержит смесь по меньшей мере одного источника бора и по меньшей мере одного источника кремния, и смесь является механической смесью.

Механическая смесь порошков относится к механическому смешиванию двух или более компонентов. Механическая смесь порошков представляет собой частицы из различных источников, причем каждая частица является либо источником бора, либо источником кремния.

Загрязняющий кислород относится к неизбежным количествам кислорода, которые содержатся, например, в технических сортах и т.д. источника кремния или источника бора, и это количество может составлять вплоть до 5 масс. % кислорода в источнике бора и вплоть до 5 масс. % кислорода в источнике кремния. Загрязняющий кислород может составлять вплоть до 10 масс. %.

Количество кремния и бора в смеси зависит от чистоты кремния и бора, а также от типа источника кремния или источника бора, которые содержатся в смеси. Например, если источником кремния является ферросилиций (Fe-Si), железо является тяжелым, и количество кремния и бора будет ниже. В Таблице 2 приведено несколько примеров.

В соответствии с одним примером данный способ может содержать нанесение на металлическую подложку смеси одного или более источников кремния и одного или более источников бора, и при этом массовое соотношение в смеси бора и кремния находится в диапазоне от примерно 3:100 масс./масс. до примерно 100:3 масс./масс., причем кремний и бор присутствуют в смеси в концентрации по меньшей мере 25 масс. %.

Смесь по настоящему изобретению является выгодной в том, что она обеспечивает возможности получать соединения между подложками. Полученные соединения являются материалом, подобным материалу (ам) подложек, за исключением того, что соединения содержат дополнительные количества элементов смеси. Предусматривая образование соединений материала на подложках в соответствии с новой концепцией высокотемпературной пайки, можно избежать или по меньшей мере снизить риски коррозии, поскольку будет меньше различий между материалом в соединениях и в подложке по сравнению с тем, когда используют имеющиеся в продаже материалы для высокотемпературной пайки.

Одно преимущество массового соотношения бора и кремния в диапазоне от примерно 3:100 до примерно 100:3 состоит в том, что полученный тугоплавкий припой будет иметь смачиваемость и, следовательно, хорошую текучесть. Хорошая текучесть является преимуществом при высокотемпературной пайке соединений, потому что полученный тугоплавкий припой будет вытекать из областей, где получается тугоплавкий припой, и перетекать в область соединения. Следовательно, слой полученного тугоплавкого припоя на подложке будет иметь как текучесть, так и более низкую температуру плавления по сравнению с основным материалом подложки.

В соответствии с дополнительным примером способ содержит нанесение смеси, при этом смесь является механической смесью. Смесь может быть смесью смешанных порошков. Частицы в порошке могут быть либо источником бора, либо источником кремния. Смесь определяется как механическое смешивание двух или более компонентов. В соответствии с первым аспектом смесь является механической смесью двух или более порошков, т.е. смесью порошка "источника кремния" и порошка "источника бора".

В соответствии с другим примером способ содержит то, что кремний и бор на этапе (i) могут присутствовать в смеси в концентрации по меньшей мере 35 масс. %, более предпочтительно кремний и бор присутствуют в смеси на этапе (i) в концентрации по меньшей мере 40 масс. %, наиболее предпочтительно в концентрации по меньшей мере 45 масс. %.

В соответствии с еще одним примером способ содержит то, что кремний и бор на этапе (i) могут присутствовать в смеси в концентрации по меньшей мере 50 масс. %, более предпочтительно кремний и бор присутствуют в смеси на этапе (i) в концентрации по меньшей мере 60 масс. %, наиболее предпочтительно в концентрации по меньшей мере 70 масс. %, и еще более предпочтительно в концентрации по меньшей мере 80 масс. %.

В соответствии с другим примером способ может содержать то, что смесь на этапе (i) может содержать бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 5:100 до примерно 1:1, предпочтительно в диапазоне от примерно 5:100 до примерно 2:1, более предпочтительно смесь на этапе (i) может содержать бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 1:10 до примерно 7:10, наиболее предпочтительно смесь на этапе (i) может содержать бор и кремний в массовом соотношении бора к кремнию в диапазоне от примерно 15:100 до примерно 4:10.

В соответствии с другим примером способ содержит нанесение на подложку первого слоя по меньшей мере одного источника бора и нанесение второго слоя по меньшей мере одного источника кремния поверх первого слоя.

В соответствии с другим примером способ содержит нанесение источника кремния, при этом источник кремния выбирается из одного или более из элементарного кремния, сплава, содержащего кремний, или соединения, содержащего кремний.

В соответствии с дополнительным примером способ содержит нанесение источника бора, при этом источник бора выбирается из одного или более из элементарного бора, сплава, содержащего бор, или соединения, содержащего бор.

В соответствии с дополнительным примером способ содержит нанесение источника бора, при этом источник бора выбирается из элементарного бора, карбидов бора, боридов никеля или боридов кремния.

В соответствии с дополнительным примером способ содержит нанесение источника кремния, который выбирается из элементарного кремния, ферросилиция, силицидов железа, карбидов кремния или боридов кремния.

В соответствии с дополнительным примером источник бора и источник кремния являются одним и тем же, предпочтительно боридами кремния.

В соответствии с другим примером смесь может содержать то, что источник бора может быть выбран из элементарного бора, B₄C, B₄Si, B₃Si, NiB и FeB, а источник кремния может быть выбран из элементарного кремния, FeSi, SiC, B₄Si и B₃Si.

В соответствии с другим примером способ содержит нанесение смеси в виде порошка, и средний размер частиц порошка <250 мкм, предпочтительно средний размер частиц <160 мкм, более предпочтительно частицы имеют средний размер частиц <100 мкм, наиболее предпочтительно частицы имеют средний размер частиц менее чем 50 мкм.

Одним преимуществом размера частиц менее чем 250 мкм является способность распределять смесь на подложке настолько равномерно, насколько это возможно.

В соответствии с другим примером способ может содержать то, что на этапе (i) смесь содержится в композиции, и что композиция дополнительно содержит по меньшей мере одно связующее, причем упомянутое по меньшей мере одно связующее может быть выбрано из группы, состоящей из растворителей, воды, масел, гелей, лаков, олифы, связующих на основе мономеров и/или полимеров.

В соответствии с другим примером способ может содержать то, что на этапе (i) упомянутое по меньшей мере одно связующее может быть гелем или лаком, или олифой.

В соответствии с другим примером способ может содержать то, что на этапе (i) упомянутое по меньшей мере одно связующее может быть выбрано из сложных полиэфиров, полиэтилена, полипропилена, акриловых полимеров, метакриловых полимеров, поливинилового спирта, поливинилацетата, полистирола.

В соответствии с дополнительным примером связующее может быть сложным полиэфиром, воском или их комбинациями.

В соответствии с дополнительным примером композиция является краской или композиция является пастой, или композиция является дисперсией.

В соответствии с дополнительным примером связующее является гелем, а композиция является пастой.

Одним преимуществом, если композиция является пастой, является то, что паста может быть легко нанесена на выбранные области на подложке.

В соответствии с другим примером, способ может содержать то, что на этапе (i) композиция может быть краской.

Одним преимуществом композиции, являющейся краской, является то, что краска может быть легко распределена по поверхности подложки и прилипает к поверхности, и поэтому может удерживаться, например, при транспортировке, штамповке, прессовании, резке и т.д.

В соответствии с другим примером способ содержит нанесение композиции, содержащей смесь, по меньшей мере одно связующее, и частицы основного материала, и при этом основной материал присутствует в количестве менее чем 75 масс. % в пересчете на общую массу кремния, бора и основного металла.

В соответствии с другим примером композиция может также содержать порошки основного материала, причем основной материал присутствует в количестве менее чем 75 мас. % в пересчете на общую массу кремния, бора и основного материала. Такая композиция обеспечивает дополнительный основной материал при получении тугоплавкого припоя во время процесса плавления. При высокотемпературной пайке, например, тонких деталей или тонких пластин дополнительный основной материал может снижать или уменьшать риск прогорания насквозь пластин или деталей, как видно в Экспериментальных примерах ниже.

В соответствии с дополнительным примером способ содержит нанесение композиции, содержащей смесь, по меньшей мере одно связующее и частицы тугоплавкого припоя.

В соответствии с дополнительным примером способ содержит применение подложки из основного материала, выбранного из сплавов на основе железа, сплавов на основе никеля, сплавов на основе хрома, сплавов на основе меди и сплавов на основе кобальта.

В соответствии с дополнительным примером способ может содержать то, что на этапе (i) основной материал может быть сплавом, содержащим элементы, такие как железо (Fe), хром (Cr), никель (Ni), молибден (Mo), марганец (Mn), медь (Cu), кобальт (Co) и т.д.

В соответствии с другим примером способ содержит применение подложки из основного материала, который содержит от примерно 15 до примерно 22 масс. % хрома, от примерно 8 до примерно 22 масс. % никеля, от примерно 0 до примерно 3 масс. % марганца, от примерно 0 до примерно 1,5 масс. % кремния, необязательно от примерно 1 до примерно 8 масс. % молибдена, а остальное - железо.

В соответствии с другим примером основной материал содержит более чем 50 масс. % Fe, менее чем 13 масс. % Cr, менее чем 1 масс. % Mo, менее чем 1 масс. % Ni и менее чем 3 масс. % Mn.

В соответствии с другим примером основной материал содержит более чем 10 масс. % Cr и более чем 60 масс. % Ni.

В соответствии с другим примером основной материал содержит более чем 15 масс. % Cr, более чем 10 масс. % Mo и более чем 50 масс. % Ni.

В соответствии с другим примером основной материал содержит более чем 10 масс. % Fe, от 0,1 до 30 масс. % Mo, от 0,1 до 30 масс. % Ni и более чем 50 масс. % Co.

В соответствии с другим примером основной материал содержит более чем 80 масс. % Ni.

В соответствии с другим примером способ содержит нагрев подложки, имеющей поверхностный слой нанесенной смеси или нанесенной композиции, до температуры выше, чем температура плавления полученной расплавленной фазы. Расплавленная фаза может быть тугоплавким припоем и может иметь температуру ликвидуса ниже, чем у основного материала.

В соответствии с другим примером способ содержит на этапе нагрева нагрев подложки, имеющей нанесенную смесь или нанесенную композицию, до температуры выше чем 900°C.

В соответствии с другим примером способ содержит получение расплавленной фазы, причем расплавленная фаза получается сплавлением элементов поверхности подложки со смесью на этапе нагрева.

В соответствии с другим примером способ также содержит дополнительный этап перед этапом (i), причем упомянутый дополнительный этап содержит резку или формование металлической подложки (ек) или их комбинации.

В соответствии с другим примером способ также содержит дополнительный этап перед этапом нанесения или после этапа нанесения, или после этапа нагрева, причем упомянутый дополнительный этап содержит резку или формование изделия (ий) или их комбинации.

В соответствии с другим примером способ может содержать то, что способ также может содержать дополнительный этап (iv), причем этап (iv) содержит резку или формование изделия(ий) c этапа (iii), или их комбинации.

В соответствии с другим примером способ по любому из примеров содержит подложку, причем подложка имеющая нанесенную смесь или нанесенную композицию, нагревается на этапе (ii) до температуры в диапазоне от 900°C до 1200°C.

Поверхностный слой может быть нанесен в виде порошка смеси, либо с помощью таких средств, как физическое осаждение из паровой фазы (PVD) или химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) представляет собой разнообразие осаждений в вакууме и является общим термином, используемым для описания любого из разнообразия способов осаждения тонких пленок путем конденсации испаренной формы желаемого материала пленки на различные поверхности обрабатываемой детали, например, на полупроводниковые пластины. Этот способ нанесения покрытий содержит чисто физические процессы, такие как высокотемпературное вакуумное испарение с последующей конденсацией или бомбардировку распыленной плазмой, вместо осуществления химической реакции на поверхности, которую следует покрыть, как при химическом осаждении из паровой фазы. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) является химическим процессом, используемым для производства твердых материалов высокой чистоты с высокими рабочими характеристиками. Этот процесс используется, например, в полупроводниковой промышленности для производства тонких пленок. В обычном CVD процессе пластина, т.е. подложка, подвергается воздействию одного или более летучих прекурсоров, которые реагируют и/или разлагаются на поверхности подложки, производя желаемое осажденное вещество. Зачастую также образуются летучие побочные продукты, которые удаляют посредством газового потока через реакционную камеру.

В соответствии с другим примером способ согласно любому из примеров содержит получение пластин, предпочтительно теплообменных пластин, пластин реакторов или деталей сепараторов, отстойников, насосов, клапанов и т.д., имеющих слой тугоплавкого припоя.

Второй аспект относится к покрытому слоем тугоплавкого припоя изделию, содержащему подложку, имеющую по меньшей мере один слой тугоплавкого припоя, при этом подложка содержит по меньшей мере один основной материал, имеющий температуру солидуса выше 1100°C, при этом слой тугоплавкого припоя имеет содержание кремния выше, чем основной материал, и при этом слой тугоплавкого припоя имеет температуру плавления ниже, чем основной материал.

В соответствии с одним примером слой тугоплавкого припоя имеет содержание по меньшей мере 2 масс. % кремния.

В соответствии с дополнительным примером слой (и) тугоплавкого припоя имеет содержание Si в диапазоне от 2 масс. % до 15 масс. %.

В соответствии с дополнительным примером слой (и) тугоплавкого припоя имеет содержание Si в диапазоне от 2 масс. % до 10 масс. %.

В соответствии с дополнительным примером слой (и) тугоплавкого припоя имеет содержание Si в диапазоне от 5 масс. % до 7 масс. %.

В соответствии с другим примером покрытое слоем тугоплавкого припоя изделие может содержать то, что слой (и) тугоплавкого припоя может иметь температуру плавления ниже, чем основной материал подложки.

В соответствии с дополнительным примером покрытое слоем тугоплавкого припоя изделие имеет ферромагнитные свойства для подложки из аустенитных нержавеющих сталей.

В соответствии с другим примером слой тугоплавкого припоя имеет толщину по меньшей мере 5 мкм.

В соответствии с другим примером слой тугоплавкого припоя имеет толщину по меньшей мере 10 мкм.

В соответствии с другим примером слой тугоплавкого припоя имеет толщину в диапазоне от 5 мкм до 120 мкм, предпочтительно в диапазоне от 10 мкм до 110 мкм.

В соответствии с дополнительным примером температура солидуса основного материала может быть выше 1220°C. В соответствии с другим примером температура солидуса основного материала может быть выше 1250°C. В соответствии с дополнительным примером температура солидуса основного материала может быть выше 1300°C.

В соответствии с другим примером покрытое слоем тугоплавкого припоя изделие имеет сжимающее напряжение в слое тугоплавкого припоя на подложке.

В соответствии с другим примером подложка является одной или более деталями изделия, подлежащими соединению, одной или более пластинами, подлежащими соединению, катушками, частично подвергнутыми высокотемпературной пайке объектами.

В соответствии с дополнительным примером покрытое слоем тугоплавкого припоя изделие имеет твердость в слое тугоплавкого припоя выше, чем в основном материале. Примеры того, что слой тугоплавкого припоя имеет твердость выше, чем основной материал, можно увидеть в Экспериментальных примерах ниже.

Третий аспект относится к покрытому слоем тугоплавкого припоя изделию, получаемому способом согласно любому из примеров первого аспекта.

В соответствии с одним примером покрытое слоем тугоплавкого припоя изделие, получаемое способом согласно любому из примеров первого аспекта, причем покрытое слоем тугоплавкого припоя изделие имеет свойства согласно примерам второго аспекта.

Четвертый аспект относится к способу обеспечения паяного изделия, содержащему следующие этапы:

Этап (i) сборка по меньшей мере одного покрытого слоем тугоплавкого припоя изделия в соответствии с любым из примеров второго аспекта с по меньшей мере одной из металлических подложек с получением сборного изделия или уложенного изделия;

Этап (ii) нагрев сборного или уложенного изделия до температуры ниже 1250°C в печи в вакууме, в инертном газе, в восстановительной атмосфере или в их комбинациях; и

Этап (iii) получение паяного изделия с одним или более соединениями в областях соприкосновения.

Области соприкосновения относятся к областям, где первая подложка находится в соприкосновении со второй подложкой, и где во время высокотемпературной пайки будет образовано соединение.

Сборка относится к укладыванию друг на друга, например, пластин, но не ограничена этим, таких как теплообменные пластины. Сборка дополнительно относится к сборке деталей.

В соответствии с одним примером способ содержит то, что полученные соединения являются материалом, подобным материалу в качестве основного материала в подложке (ах).

В соответствии с дополнительным примером способ может содержать получение паяного изделия, обеспеченного соединением (ями), полученным в точках соприкосновения между покрытым слоем тугоплавкого припоя изделием и другим покрытым слоем тугоплавкого припоя изделием или между покрытым слоем тугоплавкого припоя изделием и другим необработанным изделием из подложки в процессе плавления и переносом расплавленной фазы под воздействием капиллярных сил в плоскость областей соприкосновения, главным образом, из соседних областей.

В соответствии с дополнительным примером способ также содержит резку, формование, штамповку или прессование покрытого слоем тугоплавкого припоя изделия или их комбинации.

В соответствии с дополнительным примером полученное паяное изделие выбирается из теплообменников, пластинчатых (тарельчатых) реакторов, деталей реакторов, деталей сепараторов, деталей отстойников, деталей насосов, деталей клапанов.

В соответствии с дополнительным примером способ может содержать резку, формование, штамповку или прессование покрытых слоем тугоплавкого припоя изделий или их комбинации до нагрева сборных или уложенных покрытых слоем тугоплавкого припоя изделий.

Пятый аспект относится к паяному изделию, полученному способом в соответствии с четвертым аспектом.

Шестой аспект относится к способу обеспечения покрытого изделия, содержащему следующие этапы:

Этап (i) нанесение износостойких частиц, выбранных из одного или более из боридов, нитридов, оксидов, карбидов, карбида вольфрама, (кубического) нитрида бора, нитрида титана, алмазов, металлических композитов, боридов хрома и их комбинаций, на покрытые слоем тугоплавкого припоя изделия согласно любому из примеров в соответствии со вторым аспектом;

Этап (ii) нагрев покрытого слоем тугоплавкого припоя изделия, имеющего нанесенные на него износостойкие частицы, до температуры ниже 1250C в печи в вакууме, в инертном газе, в восстановительной атмосфере или в их комбинациях; и

Этап (iii) получение покрытого изделия.

В соответствии с одним примером покрытое изделие, полученное путем нагрева покрытого слоем тугоплавкого припоя изделия согласно примерам в соответствии со вторым аспектом до температуры выше, чем температура солидуса полученного тугоплавкого припоя, и ниже, чем температура солидуса подложки, с получением покрывающего слоя, причем предпочтительно покрывающий слой содержит частицы, улучшающие поверхность, износостойкие частицы или катализатор, более предпочтительно этот покрывающий слой содержит карбид вольфрама, (кубический) нитрид бора, нитрид титана, алмазы, металлические композиты, бориды хрома.

В соответствии с одним примером покрытое изделие может содержать частицы, выбранные из твердых частиц или частиц, улучшающих поверхность. Частицы могут быть нанесены на покрытое слоем тугоплавкого припоя изделие до термической обработки и получения износостойкой поверхности или поверхности, которая имеет улучшенную площадь поверхности.

Седьмой аспект относится к покрытому изделию, полученному способом согласно шестому аспекту.

Восьмой аспект относится к применению покрытого слоем тугоплавкого припоя изделия согласно примерам в соответствии со вторым аспектом для высокотемпературной пайки деталей или изделий для теплообменников, пластинчатых реакторов, деталей реакторов, деталей сепараторов, деталей отстойников, деталей насосов, деталей клапанов.

Девятый аспект относится к применению покрытого слоем тугоплавкого припоя изделия согласно любому из примеров в соответствии со вторым аспектом для изделий, имеющих твердую поверхность.

В паяном изделии, полученном данным способом, объем образованного тугоплавкого припоя вычисляется по следующей формуле, см. также Фиг. 2:

Объем = общая площадь A × длина соединения

Общая площадь A=((X-B)/2)×((X-B)/2)×tan α

где A является общей площадью двух треугольников, X является общей шириной образованного соединения, B является частью образованного соединения, где объем образованного тугоплавкого припоя в центре соединения пренебрежимо мал, а высота вычисляется путем измерения угла α, который является углом между касательной к штампованной балке и основанием.

Другие варианты осуществления и альтернативы определяются формулой изобретения.

В дальнейшем изобретение будет объяснено с использованием Фиг. 1-6. Эти фигуры представлены для цели демонстрации данного изобретения и не предназначены для ограничения его объема.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает круглую штампованную пластину, используемую в Примерах.

Фиг. 2 показывает график "приближение".

Фиг. 3 показывает диаграмму, на которой измеренная ширина является функцией нанесенного количества (г/3500 мм²) с линиями трендов.

Фиг. 4 показывает другую диаграмму, на которой вычисленная заполненная площадь паяного соединения основана на измеренной ширине и является функцией нанесенного количества (г/3500 мм²) с линиями трендов.

Фиг. 5 показывает другую диаграмму, на которой % образцов, исследованных на разрыв, в которых соединение было прочнее или таким же в сравнении с материалом пластины, является функцией нанесенного количества смеси (грамм на 3500 мм²).

Фиг. 6 показывает фотографию одного из образцов после соединения.

Подробное описание чертежей

Фиг. 1 показывает круглую штампованную пластину, которая имеет диаметр 42 мм и толщину 0,4 мм, изготовленную из нержавеющей стали типа 316L. Штампованная пластина имела две штампованных балки V и H, каждая прибл. 20 мм длиной. Балка V или v означает левую балку, а балка H или h означает правую балку, а v и h используются в Примерах 5 и 9.

Фиг. 2 показывает приближение фиг. 1, которая основывается на поперечном сечении паяного тестового образца. Поперечное сечение на Фиг. 2 показывает штампованную балку в верхней части Фигуры 2. В нижней части Фигуры 2 находится плоская предварительно покрытая пластина. В капилляре между балкой и плоской поверхностью создается соединение. Для оценки количества тугоплавкого припоя, созданного в соединении, выполнялись следующие приближения и вычисления. Было вычислено, что объем в центре соединения пренебрежимо мал. Следовательно, созданный объем тугоплавкого припоя для соединений с шириной, т.е. с шириной В 1,21 мм или меньше, устанавливается равным нулю. На внешних сторонах балки, т.е. ((X-B)/2), накапливался образованный тугоплавкий припой. Таким образом, тугоплавкий припой в расплавленной форме переносился под действием капиллярных сил в область соединения, главным образом, из соседних областей, образуя объемы тугоплавкого припоя, очерченные треугольниками.

В соответствии с Фигурой 2 можно вычислить площадь посредством оценки того, что два треугольника образуются на каждой стороне от центра соединения. Угол в треугольнике измеряется как прибл. 28°. Общую измеренную ширину называют X, а ширину центра - B. Следовательно, общая площадь (A) этих двух треугольников А=2×(((X-B)/2)×((X-B)/2)×tan(α)))/2, т.е. для Фигуры 2 А=2×(((X-1,21)/2)×((X-1,21)/2)×tan(28°)))/2. Общий созданный объем тугоплавкого припоя, который перетек в трещины, будет равен площади, умноженной на длину двух балок. Часть сформированного тугоплавкого припоя не затекает в трещины и остается на поверхности.

Фигура 3 показывает диаграмму, на которой измеренная ширина является функцией нанесенного количества (г/3500 мм²) с линиями трендов. Результаты исследования углового шва показаны в таблицах 8 и 9 из Примера 5, и на Фигуре 3. Линии трендов на Фигуре 3 основаны на функции Y=K×X+L. Результаты измеренной ширины и оцененных площадей иллюстрируются на диаграммах на Фигуре 3. Нанесенные количества, смотри Таблицы 8 и 9, составляли от 0,06 грамма/3500 мм² до 0,96 грамма/3500 мм², что соответствует от прибл. 0,017 мг/мм² до 0,274 мг/мм², что соответствует прибл. 1,3-5,1 мг смеси на мм², использованному в Примере 2.

Для смеси определяли линию тренда Y=K×X+L, где Y является шириной соединения, K представляет собой наклон линии, X представляет собой нанесенное количество смеси, а L является константой, см. Фигуру 3. Таким образом, ширина паяного соединения:

Y (ширина для образца A3.3)=1,554+9,922×(нанесенное количество смеси A3.3)

Y (ширина для образца B2)=0,626+10,807×(нанесенное количество смеси B2)

Y (ширина для образца C1)=0,537+8,342×(нанесенное количество смеси C1)

Y (ширина для образца F0)=0,632+7,456×-(нанесенное количество смеси F0)

Как видно из Фигуры 3, смеси A3.3 среди смесей A3.3, B2, C1, D0.5, E0.3 и F0 дают самое высокое количество тугоплавкого припоя в соединении в зависимости от нанесенного количества смеси. Образец F0 не дает никаких существенных соединений ниже 0,20 грамм на 3500 мм².

Фигура 4 показывает другую диаграмму, на которой вычисленная заполненная площадь паяного соединения на основе измеренной ширины является функцией нанесенного количества (грамм/3500 мм²) с линиями трендов. Для смеси определяли линию тренда Y=K×X-L, где Y является площадью, K представляет собой наклон линии, X представляет собой нанесенное количество смеси, а L является константой, см. Фигура 4.

Y (площадь для образца A3.3)=4,361×(нанесенное количество смеси A3.3)-0,161

Y (площадь для образца B2)=3,372×(нанесенное количество смеси B2)-0,318

Y (площадь для образца C1)=2,549×(нанесенное количество смеси C1)-0,321

Y (площадь для образца F0)=0,569×(нанесенное количество смеси F0)-0,093

Грубая оценка созданного объема основана на диаграмме на Фигуре 4, для количества, например, 0,18 г на 3500 мм², исключая образец F0 из-за "отсутствия" паяных соединений и образец D0.5 из-за слишком малого количества данных, дает значение для образцов для созданного объема тугоплавкого припоя в соединении между двумя балками, смотри ниже:

Объем (A3.3)=0,63 × длина 40 (20×2)=25,2 мм³

Объем (B2)=0,30 × длина 40 (20×2)=12,0 мм³

Объем (C1)=0,12 × длина 40 (20×2)=4,8 мм³

Объем (E0.3)=0,10 × длина 40 (20×2)=4,0 мм³

Фигура 5 показывает другую диаграмму, на которой % (процент) представляет собой долю успеха в образцах, испытанных на разрыв, в которых соединение было прочнее, чем материал пластины, или таким же прочным, при этом доля успеха является функцией нанесенного количества смеси в граммах на 3500 мм². Когда пластина была прочнее, чем соединение, что приводило к разрыву соединения, результат устанавливался равным нулю. Для образцов, в которых соединение было прочнее, чем материал пластины, различие в результатах не было статистически значимым.

На Фигуре 6 показывают один из образцов после соединения. Фотография показывает, что между двумя частями имеется сформированное соединение. Соединенный образец взят из Примера 10.

Данное изобретение объясняется более подробно с помощью следующих Примеров, и Примеры являются пояснением изобретения и не предназначены для ограничения объема изобретения.

Примеры

Испытания в этих Примерах проводили для установления, способен ли кремний, Si, создать тугоплавкий припой при нанесении на поверхность тестового образца основного металла. Также добавляли различное количество бора, B, поскольку бор может уменьшать температуру плавления тугоплавких припоев. Бор также может изменять поведение тугоплавких припоев при смачивании. Также исследовали свойства тестовых смесей. В Примерах масс. % является массовым процентом, а атом. % является процентом атомов.

Если иное не установлено, тестовые образцы основного металла для всех испытаний очищали в посудомоечной машине и в ацетоне перед тем, как к тестовым образцам добавляли образцы смесей кремния и бора.

Пример 1

Приготовление смесей кремния и бора, предназначенных для испытаний:

Тестовый образец №C1 был приготовлен смешиванием 118,0 граммов порошка кристаллического кремния с размером частиц 325 меш (78 мкм), чистотой 99,5% (металлическая основа) марки 7440-21-3 от Alfa Aesar - Johnsson Matthey Company с 13,06 граммами порошка кристаллического бора с размером частиц 325 меш (78 мкм), чистотой 98% марки 7440-42-8 от Alfa Aesar - Johnsson Matthey Company и 77,0 граммами связующего Nicrobraz S-30 от Wall Colmonoy в Varimixer BEAR от Busch  Holm с получением 208 граммов пасты, см. образец C1. Все тестовые образцы были изготовлены в соответствии с той же самой процедурой, что и тестовый образец C1. Смеси приведены в Таблице 3.

Образцы G15, H100, I66 и J были приготовлены тем же самым путем, что и образцы F0, E0.3, D0.5, C1, B2 и A3.3, за исключением того, что использовали другое связующее - Nicrobraz S-20 от Wall Colmonoy. Тестовые образцы приведены в Таблице 4.

Образцы также рассчитывают, чтобы показать соотношение, массовый процент и атомный процент, которые показаны в Таблице 5.

Измерение содержания связующего (полимера и растворителя) в связующих S-20 и S-30.

Также исследовали содержание "сухого" материала в гелях. Образцы S-20 и S-30 взвешивали, а затем помещали в печь при температуре 98°C на 18 часов. После того, как образцы были извлечены из печи, их снова взвешивали. Результаты можно найти в Таблице 6.

Пример 2

Исследования высокотемпературной пайки

При исследовании характеристик растекания и смачивания для тугоплавких присадок предшествующего уровня техники масса нанесенного тугоплавкого припоя составляет 2,0 грамма, что соответствует 0,2 граммам кремния. Поскольку необходимо было исследовать смеси кремния и бора, в тестируемых композициях использовали аналогичные количества кремния и бора. Тугоплавкая присадка содержит 10 масс. % кремния, поэтому на тестовые образцы наносили 0,2 грамма смесей кремния и бора. Тестовые образцы были круглыми тестовыми заготовками, имеющими диаметр 83 мм и толщину 0,8 мм, и тестовые заготовки изготавливали из нержавеющей стали типа 316L. Поскольку не ожидали, что 0,2 грамма смеси (Si и B) соответствовали бы 2 граммам тугоплавкого припоя, поскольку сначала из основного металла и Si, и B должен быть создан "образованный тугоплавкий припой". Следовательно, также исследовали большее количество, т.е. 0,4 грамма. Поведение "образованного тугоплавкого припоя" исследовали на способность течь, поскольку если бы "образованный тугоплавкий припой" не перетекал, тогда кремний и бор только диффундировали бы в основной металл или даже не плавили бы основной металл. Все образцы подвергали высокотемпературной пайке в вакуумной печи при 1210°C в течение 1 часа. Использовали двойные исследования. Это означает две разные массы по 0,2 грамма и 0,4 грамма, двойные тестовые образцы и шесть различных смесей, т.е. F0, E0.3, D0.5, C1, B2 и A3.3, давая в сумме 2×2×6=24 образца. Смеси наносили на круглый участок, имеющий диаметр прибл. 10-14 мм, т.е. поверхность 78-154 мм², или прибл. 1,3-5,1 мг смеси на мм².

Результаты

Ясно наблюдали, что тестовые заготовки из основного металла расплавились и были созданы некоторые типы расплавов. Также наблюдали, что расплавы в некоторых аспектах оказались в качестве тугоплавкого припоя с текучестью. Без измерения размера смачивания, судя по всему, увеличенная фракция бора в смесях привела к лучшему смачиванию. Однако, также было замечено, что для большинства образцов расплавилась вся толщина покрытой области, создавая отверстие, которое создавалось в середине тестового образца. Для "0,2 граммовых образцов" пять из двенадцати тестовых заготовок имели отверстия, а для "0,4 граммовых заготовок" - десять из двенадцати.

Один вывод, следовательно, состоит в том, что невозможно заменить пасту тугоплавкой присадки или подобное и наносить пятна или линии со "сравнительно равными количествами" смесей кремния и бора, поскольку смеси кремния и бора будут проплавлять отверстие в основном металле, если тестовый образец тонкий, в данном случае 0,8 мм. Если используются более толстые тестовые образцы, отверстия могут не появиться, но в основном металле могут быть созданы "канавки". Это может быть предотвращено или улучшено путем добавления основного металла, например в виде порошка, к смесям бора и кремния. Если наносится только кремний, т.е. образец F0, результат, по-видимому, имеет меньшую текучесть и худшие свойства смачивания, чем в других образцах, в которых наносили и кремний, и бор.

Пример 3

Новая процедура нанесения

В этом Примере одновременно были приготовлены тестовые пластины для всех исследований углового шва, исследований коррозии и испытаний на разрыв. Из Примера 2 сделали вывод, что может быть рискованным нанесение смеси кремния и бора в виде точек или линий на тонкостенные пластины. Следовательно, исследовали новые тестовые образцы, т.е. новые тестовые пластины покрывали различными смесями Si и B для исследований углового шва, исследований коррозии и испытаний на разрыв.

Соответственно новые тестовые образцы представляли собой пластины, изготовленные из нержавеющей стали типа 316L. Размер пластин составлял 100 мм в ширину, 180-200 мм в длину и толщина составляла 0,4 мм. Все пластины очищали в посудомоечной машине и в ацетоне перед нанесением смесей Si и B. Измеряли массу. На каждой пластине маскировали участок 35 мм на одной короткой стороне.

Использовали различные смеси A3.3, B2, C1, D0.5, E0.3, F0, G15, H100 и I66, все с добавленным связующим S-30. Пластины "окрашивали" смесями на немаскированной площади поверхности, которая имела размер 100 мм × 35 мм. После сушки в течение более чем 12 часов при комнатной температуре маскировочную ленту удаляли, и измеряли массу пластины для каждой из пластин. Масса, представленная ниже в Таблице 7, представляет собой восемь итоговых количеств смесей на площади 100 мм × 35 мм = 3500 мм² = 35 см².

Пример 4

Исследование образцов на коррозию при изгибе.

Тестовые пластины из Примера 3 нарезали на полосы шириной 35 мм, приводя к площади покрытой поверхности на каждой полосе 35 мм × 35 мм. Круглую штампованную пластину помещали на поверхностные участки полос. Круглая штампованная пластина показана на Фиг. 1. Штампованная пластина имела размер 42 мм в диаметре и толщину 0,4 мм и была изготовлена из нержавеющей стали типа 316L. Тестовые образцы подвергали высокотемпературной пайке 1 час при 1210°C. Образцы для испытаний, приготовленные для исследований коррозии, покрывали образцами смесей A3.3, B2, C1, D0.5, E0.3, H100, I66 и J, см. Таблицу 5.

Образцы для испытаний исследовали в соответствии со способом исследования коррозии ASTM A262, "Стандартные методы определения подверженности межкристаллитной коррозии аустенитных нержавеющих сталей". Из этого способа исследований выбрали "Метод E - Медь - Сульфат меди - Серная кислота. Метод определения подверженности межкристаллитной коррозии аустенитных нержавеющих сталей". Причиной выбора этих исследований коррозии было подозрение на то, что бор может реагировать с хромом из стали, создавая бориды хрома, главным образом, на границах зерен, что увеличивает риск межкристаллитного наступления коррозии. Образцы для испытания помещали в кипящую 16-% серную кислоту вместе с сульфатом меди на 20 часов, на что в стандарте ссылаются как на "практический метод", и после этого проводили исследование на изгиб согласно главе 30 указанного стандарта.

Результаты исследования коррозии и послойный анализ тестовых образцов

Тестовые заготовки подвергали исследованию на изгиб согласно способу исследования коррозии главе 30.1. Ни один из образцов не дал указаний на межкристаллитную коррозию при визуальном исследовании изогнутых поверхностей. После исследования по стандарту ASTM изогнутые образцы для испытаний нарезали, шлифовали и полировали, и поперечные сечения изучали в световом оптическом микроскопе и ЭДС, т.е. энергодисперсионной спектроскопией. Результаты приведены в Таблице 8.

Комментарии

Очевидно, что при добавлении больших количеств бора, как в образцах H100, J, I66, на поверхности образуется хрупкий слой. Этот слой образуется, вероятно, из-за высокой концентрации выделяющейся фазы борида хрома, увеличиваясь с количеством бора. В образце H100 никакого хрупкого слоя не находили, наиболее вероятно из-за коррозии на поверхности. Так как количество боридов хрома увеличивается с увеличением количества бора, то также следует принимать во внимание, что коррозионные свойства могут ухудшаться. Это объясняет, почему образец H100 подвергался коррозии при исследовании коррозии. "Негативное" воздействие бора может быть уменьшено путем использования более толстых подложек и/или более длительных времен диффузии. Тогда возможно "разбавить" бор посредством его диффузии в основной металл. В образцах A3.3 и B2 с меньшим количеством бора образовывался более тонкий хрупкий поверхностный слой. Было видно, что в образце E0.3 с низким количеством бора образовывался довольно толстый хрупкий поверхностный слой с высоким содержанием кремния, как правило >5 мас. % кремния. Этот слой имел характеристики, отличающиеся от хрупких поверхностей A3.3, B2, H100, I66 и J. "Негативное" воздействие кремния может быть уменьшено путем использования более толстых основных металлов и/или более длительных времен диффузии. Тогда возможно "разбавление" кремния в основном металле.

Пример 5

Исследование углового шва образцов.

Тестовые пластины из Примера 3 нарезали на полосы шириной 35 мм, в результате чего площадь покрытой поверхности на каждой полосе составила 35 мм × 35 мм. Круглые штампованные пластины помещали на поверхностные участки полос. Круглая штампованная пластина показана на Фиг. 1. Штампованная пластина имела размер 42 мм в диаметре и толщину 0,4 мм и была из нержавеющей стали типа 316L. Штампованная пластина имела две штампованных балки, каждая прибл. 20 мм длиной. Эти образцы подвергали высокотемпературной пайке прибл. 1 час при прибл. 1200°C.

Результаты исследования углового шва представляют ширину тугоплавкого припоя, найденного в области соединения, созданного между плоским участком поверхности и контактом со штампованной балкой в тестовом образце и показаны на Фиг. 1. Смеси наносили на плоские участки поверхности перед нагревом. Количество тугоплавкого припоя оценивали, см. Фигуру 2, путем аппроксимации области поперечного сечения углового шва двумя треугольниками, образованными на каждой стороне от центра соединения. В средней части нет дополнительного образованного "тугоплавкого припоя" или имеются очень небольшие его количества. Площадь этих двух треугольников может быть вычислена путем измерения высоты (h) и основания (b). Общая площадь этих двух треугольников в сумме дает (h)×(b), поскольку таких треугольников два. Проблема при этом расчете в том, что трудно измерить высоту. Поэтому мы используем следующее уравнение для вычисления площадей двух треугольников:

A=((X-B)/2)×((X-B)/2)×tan α

где A является общей площадью этих двух треугольников, X является общей шириной образованного соединения, а B является частью образованного соединения, где объем образованного тугоплавкого припоя в центре соединения пренебрежимо мал. Таким образом, основание каждого треугольника равно (X-B)/2. Высота вычисляется путем измерения угла α, который является углом между касательными к штампованной балке и основной пластиной.

Для вычисления объема общего созданного объема образованного тугоплавкого припоя, который перетек в трещины, длину двух балок, т.е. каждая балка составляет 20 мм, умножали на значение A.

Площадь двух треугольников представляет собой оцененную площадь после высокотемпературной пайки и показана в Таблицах 9 и 10. Объем является объемом образованного тугоплавкого припоя на одной из балок. Результаты исследования углового шва показаны в Таблицах 9 и 10, и на Фиг. 3. В Таблице 9 и в Таблице 10 v и h обозначают v = левая балка и h = правая балка.

Результаты измеренной ширины и оцененных площадей представлены в Таблицах 9 и 10 и проиллюстрированы на Фиг. 3. Нанесенные количества, см. Таблицы 9 и 10, варьировали от 0,06 г/3500 мм² до 0,96 г/3500 мм². Это соответствует от прибл. 0,017 мг/мм² до 0,274 мг/мм², по сравнению с прибл. 1,3-5,1 мг смеси на мм², использованной в Примере 2.

Для смесей определяли линии трендов Y=K×X+L. Y является шириной соединения [мм], K представляет собой наклон линии, X представляет собой нанесенное количество смеси [г], а L является константой, см. Фиг. 3. Таким образом, ширина паяного соединения:

Y (ширина для образца A3.3)=1,554+9,922×(нанесенное количество смеси A3.3)

Y (ширина для образца B2)=0,626+10,807×(нанесенное количество смеси B2)

Y (ширина для образца C1)=0,537+8,342×(нанесенное количество смеси C1)

Y (ширина для образца F0)=0,632+7,456×(нанесенное количество смеси F0)

Как подмечено из диаграммы, среди смесей A3.3, B2, C1, D0.5, E0.3 и F0 смесь A3.3 дает наивысшее количество тугоплавкого припоя в соединении в зависимости от нанесенного количества смеси. Образец F0 не дает никаких существенных соединений при содержании ниже 0,20 грамма на 3500 мм².

Для смесей определяли линию тренда Y=K×X-L, где Y является площадью [мм²], K представляет собой наклон линии, X представляет собой нанесенное количество смеси [г], а L является константой, см. Фиг. 4.

Y (площадь для образца A3.3)=4,361×(нанесенное количество смеси A3.3)-0,161

Y (площадь для образца B2)=3,372×(нанесенное количество смеси B2)-0,318

Y (площадь для образца C1)=2,549×(нанесенное количество смеси C1)-0,321

Y (площадь для образца F0)=0,569×(нанесенное количество смеси F0)-0,093

Грубая оценка созданного объема основана на диаграмме по Фиг. 4 и, например, для количества 0,18 грамм на 3500 мм², исключая образец F0 из-за "отсутствия" паяных соединений и образец D0.5 из-за слишком малого количества данных, дает для образцов значения созданного объема тугоплавкого припоя в соединении между двумя балками, как видно ниже.

Объем (A3.3)=0,63 × длина 40 (20×2)=25,2 мм³

Объем (B2)=0,30 × длина 40 (20×2)=12,0 мм³

Объем (C1)=0,12 × длина 40 (20×2)=4,8 мм³

Объем (E0.3)=0,10 × длина 40 (20×2)=4,0 мм³

Также исследовали смеси с более высокой долей бора, например, G15, H100, I66 и J. Все эти смеси работали практически аналогично смеси A3.3 и B2 относительно создаваемого объема тугоплавкого припоя. Однако, металлографическое исследование поперечного сечения паяных образцов показало, что количество боридов было значительнее. Для образца H100, т.е. чистого бора, на поверхности, на которую ранее была нанесена смесь, также были найдены хрупкие фазы с высоким содержанием хрома. Наиболее вероятно, что твердые фазы были боридами хрома, которые снижают содержание хрома в окружающем материале, таким образом уменьшая устойчивость к коррозии. Это может стать проблемой, когда требуется хорошая устойчивость к коррозии, но не является проблемой для некоррозионного окружения. Влияние бора может быть уменьшено путем изменения режима термической обработки и/или путем использования более толстого основного металла, который может "поглощать" большее количество бора. Для более толстого материала, т.е. ≥1 мм, этот эффект "поглощения" бора на поверхности также будет менее выраженным, поскольку доля поверхностного объема по сравнению с объемом основного металла гораздо меньше, чем для тонкого материала толщиной <1 мм или <0,5 мм. Бориды хрома могут быть преимуществом, если требуется лучшая износоустойчивость. Металлографическое исследование также показало, что в образце F0, т.е. в чистом кремнии, обнаружили толстый хрупкий слой, содержащий кремниевую фазу. Этот слой имел толщину >50% от толщины пластины для некоторых участков в исследованном образце. Подобную фазу также обнаружили в соединении. В этой фазе обнаружили трещины длиной >30% от толщины пластины. Такие трещины будут ухудшать механическую прочность соединенного изделия и могут быть точками начала образования коррозии и/или усталостных трещин. Средняя измеренная твердость этой фазы составляла более 400 Hv (по Виккерсу). Вероятно, эту хрупкую фазу гораздо труднее уменьшить по сравнению с боридной фазой, используя более толстый основной металл или изменением режима термической обработки. Тем не менее, для более толстого основного металла это влияние может быть менее выраженным.

Пример 6

Испытание на разрыв паяного соединения

Исходные покрытые тестовые пластины нарезали на полосы. Размер пластины составлял прибл. 100 мм в ширину, 180-200 мм в длину, а толщина составляла 0,4 мм. Площадь нанесения для каждой полосы была 10 мм на 35 мм = 350 мм². На участок нанесения помещали более толстую деталь 4 мм из нержавеющей стали типа 316L, покрывая 30 мм из общей 35 мм поверхности нанесения. Более толстую деталь помещали на конце полосы, оставляя 5 мм поверхности нанесения, не покрытой толстой пластиной. При этом уменьшение прочности материала пластины из-за нанесенной смеси было бы обнаружено при испытании на разрыв, если соединение прочнее, чем пластина. Более толстая пластина была также шире, чем 10 мм полосы. Все тестовые образцы подвергали высокотемпературной пайке при прибл. 1200°C прибл. 1 час.

После высокотемпературной пайки выполняли испытание на отслаивание под углом 90°, и толстую часть тестового образца устанавливали горизонтально на нижнюю часть в установке испытания на разрыв. Паяную полосу жестко сгибали под углом 90° в вертикальном направлении и эту полосу устанавливали на верхнюю часть установки испытания на разрыв. Толстую часть тестовых образцов устанавливали так, чтобы она могла перемещаться в горизонтальном направлении. Затем данные образцы нагружали, и паяное соединение расщеплялось, либо полоса разрушалась/трескалась.

Результаты

Результаты представлены в виде относительной доли (%) не разрушенных соединений для каждого условия. Испытание терпело неудачу, если пластина была прочнее, чем соединение, что приводило к тому, что соединение расщеплялось. Если соединение было прочнее, чем пластина (неразрушающее условие), то данная пластина растрескалась/разрушилась раньше, чем соединение. Результаты приведены в Таблице 11 и на диаграмме по Фиг. 5.

Пример 7

Для установления связи между нанесенным количеством и риском прогорания отверстий чрез пластины, как описано в Примере 2, выполняли новые исследования. Для всех исследований использовали смесь B2, см. Таблицу 6. К смеси B2 добавляли связующее S-30. Тестовые заготовки представляли собой диски из нержавеющей стали типа 316 толщиной 0,8 мм и диаметром 83 мм. Для всех образцов смесь наносили в центр тестовой заготовки. Покрытая площадь была 28 мм², т.е. представляла собой круглое пятно, имеющее диаметр 6 мм. Все тестовые образцы взвешивали до и после нанесения смеси, и результаты приведены в Таблице 12. Затем тестовые образцы выдерживали при комнатной температуре 12 часов. Образцы снова взвешивали.

Все тестовые образцы помещали в печь и подвергали высокотемпературной пайке при 1210°C прибл. 1 час. Во время высокотемпературной пайки только внешние края каждого образца находились в соприкосновении со связующим материалом, сохраняя нижнюю поверхность центра пластины свободной от соприкосновений с каким-либо материалом во время высокотемпературной пайки. Причина сохранения нижней поверхности центра пластины свободной от соприкосновений заключается в том, что может быть предотвращено разрушение или прогорание насквозь, если материал центра поддерживается снизу связующим материалом.

Нанесенное количество и результаты прогорания насквозь для 0,8 мм образцов приведены в Таблице 12.

Исследования показывают, что образец 11 имеет прогорание насквозь. Образец 10 имеет 2,264 мг/мм² нанесенного количества смеси, а образец 11 имеет 2,491 мг/мм². Для соединенных пластин, имеющих толщину менее чем 1 мм, существует риск прогорания насквозь при количестве в диапазоне от примерно 2,830 мг/мм² до примерно 3,114 мг/мм², при этом количество в середине этого диапазона равно 2,972 мг/мм². Следовательно, для пластины, имеющей толщину менее чем 1 мм, количество менее чем 2,9 мг/мм² было бы подходящим для предотвращения прогорания пластины насквозь. Результат также показывает, что 2,491 мг/мм² будет вызывать прогорание насквозь пластины толщиной менее чем 0,8 мм, причем пластина имеет круглое пятно, имеющее диаметр 6 мм, нанесенной смеси. Образцы с меньшими площадями нанесения могут иметь больше нанесенной смеси на единицу площади, чем образцы с большими площадями нанесения.

Пример 8

В Примере 8 паяное соединение между двумя штампованными теплообменными пластинами изготавливают тремя различными способами. Толщина теплообменных пластин составляет 0,4 мм.

В первом и втором тестовых образцах использовали тугоплавкую присадку на основе железа с составом, близким к нержавеющей стали типа 316, см. WO 2002/38327. Тугоплавкая присадка имела концентрацию кремния примерно 10 масс. %, концентрацию бора примерно 0,5 масс. % и пониженное количество Fe - примерно 10,5 масс. %. В первом тестовом образце тугоплавкую присадку наносили линиями, а во втором тестовом образце тугоплавкую присадку наносили равномерно по поверхности. В обоих случаях присадку наносили после штамповки.

После высокотемпературной пайки тестовый образец 1 показал, что тугоплавкая присадка, нанесенная линиями, втягивалась в паяные соединения. Часть тугоплавкой присадки не перетекла в паяное соединение и поэтому локально увеличила толщину на линии нанесения. Для тестового образца 2 тугоплавкая присадка перетекла в паяные соединения, однако, часть тугоплавкой присадки осталась на поверхности и увеличила толщину. В обоих тестовых образцах 1 и 2 количество добавленной тугоплавкой присадки соответствовало прибл. 15 масс. % от материала пластины.

В тестовом образце 3 использовали смесь A3.3, см. Таблицу 7. Смесь равномерно наносили на пластину перед штамповкой. Смесь наносили в количестве, которое создало бы паяное соединение со сходными размерами, как в тестовых образцах 1 и 2.

На тестовый образец 3 наносили равномерный слой A3.3. Это количество соответствует массовому соотношению смесь: материал пластины примерно 1,5:100. При высокотемпературной пайке тугоплавкий припой образовывался, главным образом, из основного металла. Этот тугоплавкий припой перетекал в паяные соединения. Соответственно толщина пластины уменьшилась, поскольку основной материал растворялся и втягивался в паяные соединения.

Пример 9

Исследования с различными источниками Si и источниками B

Исследования в Примере 9 проводили для исследования альтернативных источников бора и источников кремния. Смесь B2, см. Таблицу 7, была выбрана в качестве эталона для исследования. Альтернативные источники исследовали на их способность создавать соединение. В каждом эксперименте исследовали либо альтернативный источник бора, либо альтернативный источник кремния. При использовании альтернативного источника влияние второго элемента полагали равным нулю, это означает, что в альтернативном компоненте "измеряли" только массу бора или кремния, см. Таблицу 13. Для эталонной смеси B2 массовое соотношение между кремнием и бором составляет 10 к 2. Каждую смесь смешивали со связующим S-30 и эту смесь наносили на стальную пластину в соответствии с Примером 1. Все образцы подвергали высокотемпературной пайке в вакуумной печи при 1210°C 1 час.

Для смеси B2 определяли линию тренда Y=K×X+L, где Y является шириной соединения [мм], K представляет собой наклон линии для смеси B2, X представляет собой нанесенное количество смеси [г], а L является константой при отсутствии нанесенного количества смеси B2, см. Фиг. 3. Таким образом, ширина паяного соединения Y=0,626+10,807 × (нанесенное количество смеси).

В Таблице 14 l и r означают l = левая балка, а r = правая балка, как в Примере 5.

Результаты в Таблице 13 показывают, что в качестве альтернативных источников бора можно использовать B₄C, NiB и FeB. Когда использовали NiB, созданное количество тугоплавкого припоя было меньше, чем для чистого бора, однако, NiB может быть использован, если эффект легирования с помощью никеля.

Пример 10

Исследования основных металлов

В Примере 10 исследовали большое число различных основных металлов. Все исследования, за исключением низкоуглеродистой стали и сплава Ni-Cu, выполняли в соответствии с Y-тестом.

Для Y-теста две круглых штампованных тестовых заготовки толщиной прибл. 0,8 мм помещали друг на друга. Каждый образец имел штампованную круглую балку. Верхние грани балок располагали друг напротив друга, создавая круговую щель между заготовками. На каждый образец кистью для краски наносили смесь B2 со связующим S-20. Массу добавленного количества не измеряли, так как целью исследования было исследовать, возможно ли создавать тугоплавкую присадку, а не исследовать как различные количества воздействуют на результаты. Фотография одного из образцов после соединения представлена на Фиг. 6.

На образцы из низкоуглеродистой стали и на образцы из Ni-Cu смесь наносили одинаковым образом. Для низкоуглеродистой стали исследования выполняли как в примере 5 "исследование углового шва". Исследование Ni-Cu выполняли с двумя плоскими тестовыми заготовками. Все образцы, за исключением Ni-Cu, подвергали "высокотемпературной пайке" в печи при прибл. 1200°C, т.е. 1210°C, 1 час. Образец из Ni-Cu подвергали высокотемпературной пайке при прибл. 1130°C прибл. 1 час в той же самой вакуумной печи. После "высокотемпературной пайки" было образовано соединение между заготовками во всех сделанных исследованиях. Перетекание созданного "тугоплавкого припоя", состоящего, главным образом, из основного металла, в соединение также наблюдали для всех тестовых образцов. Результаты показаны в Таблице 15.

Результаты в Таблице 15 показывают, что тугоплавкие припои образуются между смесью и основным металлом для каждого образца 1-20. Результаты также показывают, что соединения были образованы для каждого тестового образца.

Результаты примеров 1-10 показывают, что бор требовался для создания существенного количества тугоплавкого припоя, который мог бы заполнять соединения, а также придавать им прочность. Примеры также показывают, что бор требовался для микроструктуры, поскольку в образцах без бора образовывался толстый хрупкий слой.

Пример 11

Исследования предварительной высокотемпературной пайки

В Примере 11 исследовали четыре различных основных материала. Смесь, которую использовали для тестовых заготовок, была смесью A3.3, см. предыдущие Примеры. Все смеси изготавливали, используя Si и B в качестве источников понижающих температуру плавления компонентов, диспергированных в лаке от Akzo Nobel (если не указано иное). Основным материалом тестовых заготовок были:

1. Нержавеющая сталь типа 316 толщиной 0,4 мм

2. Никель типа 200 толщиной 0,45 мм

3. Сплав Монель 400 толщиной 1,0 мм

4. Сплав Hastelloy C2000 толщиной 0,5 мм

Для материала типа 316 на большие тестовые заготовки, т.е. размером 323 мм × 123 мм, наносили смеси, причем общую массу в 2 грамма рассчитали на кремний и бор в смеси, без какого-либо связующего, т.е. лака, на каждой большой тестовой заготовке. Рассчитанное количество кремния и бора соответствует прибл. 0,05 мг/мм². Тестовые заготовки покрывали смесью A3.3, используя элементарный кремний и элементарный бор в смеси. Соотношения кремния и бора в смеси A3.3 могут быть найдены в Таблице 4. Каждую покрытую тестовую заготовку высушивали и отверждали при менее чем 400°C на воздухе. В исследованиях со сталью 316, за исключением исследования в ленточной печи, использовали большие тестовые заготовки. Для исследования в ленточной печи тестовую заготовку подгоняли к максимальной ширине печи. Для других материалов использовали 2-6 различных размера тестовых заготовок, но на все нанесли смесь с 0,05 мг/мм² кремния и бора.

Тестовые заготовки подвергали предварительной высокотемпературной пайке в соответствии со следующими циклами предварительной высокотемпературной пайки:

VC1(T) - вакуумный цикл, где T представляет собой максимальную температуру, а время выдержки при максимальной температуре составляет 1 ч.

VC2(T) - вакуумный цикл, где T представляет собой максимальную температуру, а время выдержки при максимальной температуре составляет 2 ч.

BF(T,t) - цикл в ленточной печи в атмосфере водорода, где T является максимальной температурой, а t является прибл. временем при максимальной температуре.

Циклами предварительной высокотемпературной пайки, которые осуществляли, были:

Исследования никеля типа 200, сплава Монель 400 и сплава Hastelloy C2000:

1) Цикл VC1(1100°C)

Исследования нержавеющей стали типа 316:

2) Цикл VC2(1040°C)

3) Цикл VC2(1060°C)

4) Цикл VC2(1070°C)

5) Цикл VC2(1080°C)

6) Цикл VC2(1090°C)

7) Цикл VC2(1100°C)

8) Цикл VC2(1110°C)

9) Цикл VC2(1120°C)

10) Цикл VC2(1130°C)

11) Цикл VC2(1140°C)

12) Цикл VC2(1160°C)

13) Цикл VC2(1180°C)

14) Цикл VC2(1200°C)

15) Цикл BF(1100°C, 10 минут)

16) Цикл BF(1130°C, 10 минут)

Анализ поперечного сечения тестовых заготовок.

Поперечные сечения всех предварительно обработанных материалов анализировали, используя СЭМ-ЭДС (сканирующий электронный микроскоп - энергодисперсионная спектроскопия). В поперечных сечениях анализировали состав полученного слоя тугоплавкого припоя. Также определяли содержание кремния в зависимости от глубины от поверхности пластины, где смесь была нанесена. Результаты анализов приведены в Таблице 16.

Результаты исследований показывают, что на поверхности основных материалов существуют образованные слои. Содержания кремния представляют собой приблизительные диапазоны, но значительно отличаются от содержания кремния в основном материале, т.е. менее чем 0,6 масс. %. Результаты исследований показывают, что температура имеет влияние на образованный слой тугоплавкого припоя, но результаты больше зависят от типа основного материала.

Магнитный анализ и анализ формы для предварительно обработанных материалов стали 316

Анализировали два из предварительно обработанных материалов, номер 7, VC(1100°C), и номер 15, BF(1100°C, 10 мин.). Оба предварительно обработанных образца показали для поверхностного слоя магнитные свойства, отчетливо отличающиеся от основного материала, немагнитной нержавеющей стали типа 316. Магнитные свойства подтверждали, поскольку было возможно поднять предварительно обработанные образцы постоянным магнитом, в отличие от "необработанных образцов". Также у предварительно обработанных образцов изменялась форма. При визуальном контроле предварительно обработанных пластин подтверждалось, что пластины были согнуты так, что предварительно обработанная поверхность, обращенная наружу, стала созданной выпуклой поверхностью. Это также означает, что если материал не имеет возможности деформироваться (тонкая пластина, как в данном случае), или, если материал предварительно обрабатывали с обеих сторон, на поверхности будут присутствовать напряжения сжатия. Напряжения сжатия могут, например, увеличивать воздействие усталостных свойств.

Исследования твердости поверхности:

Полученные поверхностные слои тугоплавкого припоя исследовали на твердость. Образцами, которые исследовали, были: никель типа 200, сплав Монель 400, сплав Hastelloy C2000, нержавеющая сталь типа 316 из тестового образца 15 BF(1100°C, 10 мин.) и нержавеющая сталь типа 316 из тестового образца 16 BF(1130°C, 10 мин.), покрытые как смесью A3.3, изготовленной из Si и B, так и смесью A3.3, изготовленной из Si и B₄C. Результаты приведены в Таблице 17.

Результаты

Исследования твердости показывают, что твердость слоя тугоплавкого припоя выше, чем у основных материалов. Все исследованные основные материалы имели твердость меньше, чем прибл. 300 HV0,05 после цикла предварительной тепловой обработки или цикла высокотемпературной пайки. Твердость поверхностного слоя и основного материала определяли от исходной поверхности основного материала до глубины прибл. 200 мкм. Увеличенные значения твердости находились в соответствии с ранее определенным увеличением содержания Si в этом поверхностном слое данного тугоплавкого припоя. Исследования также показывают, что твердость выше на поверхности, чем ближе к основным материалам.

Пример 12

Исследования способности к высокотемпературной пайке

В этом Примере исследовали полученные слои тугоплавкого припоя из Примера 11, такие образцы, как 2-14. Исследовали один дополнительный образец, и он был образцом номер 17, в котором материал представлял собой необработанную нержавеющую сталь типа 316 с нанесенной смесью. Исследования проводили с целью обнаружения, может ли быть создано паяное соединение между подложкой, имеющей слой тугоплавкого припоя, и другой подложкой без какого-либо слоя тугоплавкого припоя.

Тестовые заготовки были пластинами из нержавеющей стали типа 316, и исследования высокотемпературной пайки проводили в обычных циклах высокотемпературной пайки. Исследование выполняли путем помещения предварительно обработанной тестовой пластины с обращенным вверх слоем тугоплавкого припоя. Круглую штампованную пластину без какого-либо тугоплавкого припоя, см. Фиг. 1, помещали сверху предварительно обработанной тестовой пластины на слой тугоплавкого припоя. На круглую штампованную пластину прикладывали груз для удерживания ее в соприкосновении с предварительно обработанной тестовой пластиной. Образец тестовой пластины затем подвергали циклу VC1(T) в вакууме при температуре 1210°C. Результат представлен в виде размера спаянной площади в зависимости от температуры предварительной обработки. Образцы разрезали поперек круглой штампованной пластины, и ширину центра полученного соединения определяли согласно Фиг. 2. В Таблице 18 приведена средняя ширина центра для каждого тестового образца.

Результаты этих исследований показывают, что чем выше температура предварительной высокотемпературной пайки, тем меньше паяное соединение, т.е. слой тугоплавкого припоя предварительно обработанных высокотемпературной пайкой образцов теряет способность к образованию паяных соединений. Малая ширина центра является результатом низкой способности к высокотемпературной пайке. При потере способности к высокотемпературной пайке предварительно обработанные высокотемпературной пайкой образцы не могут быть использованы для высокотемпературной пайки без добавления тугоплавкого припоя или без добавления дополнительной смеси бора и кремния после этапа предварительной высокотемпературной пайки. Критическая температура зависит от основного материала. Если основной материал имеет высокую температуру плавления, тогда полученный слой тугоплавкого припоя все еще может иметь способность к высокотемпературной пайке при более высокой температуре предварительной высокотемпературной пайки.

Пример 13

Испытания на разрыв

В Примере 13 испытывали шесть различных основных материалов. Тестовые образцы покрывали различными смесями, при этом смесями были A3.3, B2 и C1, все изготовленные с использованием Si и B в качестве источников понижающих температуру плавления компонентов, в лаке от Akzo Nobel (если не утверждено иное). Большие тестовые заготовки основных материалов, т.е. размером 323 мм × 123 мм, покрывали смесями общей массой в 2 г в пересчете на кремний и бор в смеси, без какого-либо связующего, т.е. лака, на каждой большой тестовой заготовке. Расчетное количество кремния и бора соответствует приблизительно 0,05 мг/мм².

Образцы представляли собой следующие основные материалы:

1. Нержавеющая сталь типа 316 толщиной 0,4 мм

2. Никель типа 200 толщиной 0,45 мм

3. Сплав Монель 400 толщиной 1,0 мм

4. Нержавеющая сталь типа 254SMO толщиной 0,4 мм

5. Низкоуглеродистая сталь толщиной 0,4 мм, имеющая содержание железа >97 мас. %

6. Сплав Hastelloy C2000 толщиной 0,5 мм

В этом примере образцы материалов, покрытые слоем тугоплавкого припоя, испытывали в соответствии с Примером 11, образец 1 (сплав Hastelloy C2000).

В этих испытаниях две заготовки вырезали для каждого образца для испытания на разрыв. Одну из тестовых заготовок вырезали из необработанной пластины того же самого основного материала, что и предварительно обработанную заготовку, т.е. из заготовки, покрытой слоем тугоплавкого припоя, см. Пример 11, или вместе с поверхностью, покрытой смесью A3.3, диспергированной в лаке от Akzo Nobel. Размер тестовых заготовок был 41-45 мм в длину и 11,3-11,7 мм в ширину. Каждую тестовую заготовку сгибали посередине, используя прессовый инструмент. Верхняя часть прессового инструмента имела форму 3-х мм толстой пластины длиной прибл. 150 мм. Нижнюю часть инструмента изготавливали из толстой пластины с "обработанной канавкой" радиусом 1,9 мм. При штамповке тестовую заготовку укладывали на нижнюю часть прессового инструмента предварительно обработанной поверхностью обращенной вниз, где после пластины штамповали/сгибали на середине их длины при штамповке. Иногда дополнительный изгиб осуществляли вручную после штамповки, например, если материал имел большое спружинивание или был "слишком толстым".

Закрепление образцов

Первую изогнутую тестовую заготовку с предварительно обработанной поверхностью или поверхностью с нанесенным покрытием помещали обработанной поверхностью обращенной вверх на 1 мм пластину (22×22 мм) с "несмачивающими" свойствами. Эту пластину вместе с первой изогнутой тестовой заготовкой затем устанавливали по диагонали трубы, имеющей квадратное поперечное сечение. Размеры трубы составляли 17×17 мм внутренние и 20×20 мм внешние. Толщина (стенки) трубы была прибл. 1,4 мм, а высота - 55 мм.

Вторую изогнутую необработанную тестовую заготовку помещали так, чтобы изогнутая часть второй тестовой заготовки помещалась сверху изогнутой части первой изогнутой тестовой заготовки. Вторую тестовую заготовку помещали в трубу в перпендикулярном направлении к первой тестовой заготовке, создавая небольшую область соприкосновения между этими двумя заготовками. Закрепленные образцы затем нагревали в цикле VC1(1210°C).

Испытания на разрыв

Паяные тестовые образцы после высокотемпературной пайки устанавливали в установку испытания на разрыв "Instron Corporation Series IX Автоматическая система испытания материалов". Скорость перемещения траверсы составляла прибл. 1 мм/мин. Нагрузка измерялась в кН. Результаты испытания на разрыв, как для предварительно обработанных (PRE) образцов, так и для не обработанных предварительно образцов, представлены в Таблице 19.

Таблица 19 показывает, что паяные соединения из образцов со слоем тугоплавкого припоя имеют сопоставимую прочность на разрыв, как и паяные соединения образцов, которые имеют смесь кремния и бора, диспергированную в связующем, нанесенную на поверхность. Следовательно, эти результаты испытаний показывают, что выбор способа высокотемпературной пайки может зависеть не только от ожидаемой прочности полученных соединений на разрыв, но также от других аспектов.

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения покрытой слоем тугоплавкого припоя детали. Способ включает нанесение механической смеси, представляющей собой порошок по меньшей мере одного источника кремния, в котором каждая частица является источником кремния, и порошок по меньшей мере одного источника бора, в котором каждая частица является источником бора, на по меньшей мере часть поверхности подложки, содержащей основной материал с температурой солидуса выше 1100°С. Частицы имеют средний размер менее чем 250 мкм. По меньшей мере один источник бора и по меньшей мере один источник кремния являются бескислородными. Массовое соотношение в смеси бора и кремния находится в диапазоне от 3:100 до 100:3. Кремний и бор присутствуют совместно в смеси в концентрации по меньшей мере 25 мас. %; нагрев подложки до более низкой температуры, чем температура солидуса основного материала подложки; охлаждение подложки и получение на подложке слоя тугоплавкого припоя, содержащего источник кремния, источник бора и элементы основного материала. Слой тугоплавкого припоя имеет более низкую температуру плавления, чем основной материал. Уменьшается количество тугоплавких присадок, увеличивается прочность паяных соединений. 14 н. и 27 з.п. ф-лы, 6 ил., 19 табл., 13 пр.

Формула