RU2779439C1 - Mixed powder solder for soldering aluminum and alloys based on it - Google Patents
Mixed powder solder for soldering aluminum and alloys based on it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2779439C1 RU2779439C1 RU2021136334A RU2021136334A RU2779439C1 RU 2779439 C1 RU2779439 C1 RU 2779439C1 RU 2021136334 A RU2021136334 A RU 2021136334A RU 2021136334 A RU2021136334 A RU 2021136334A RU 2779439 C1 RU2779439 C1 RU 2779439C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solder
- powder
- aluminum
- zinc
- copper
- Prior art date
Links
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 69
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 36
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 36
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 30
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 27
- 238000005476 soldering Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 title abstract description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 39
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims abstract description 33
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 31
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
- 239000011135 tin Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims abstract description 26
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N tin hydride Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 15
- 229910018140 Al-Sn Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910018137 Al-Zn Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910018564 Al—Sn Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910018573 Al—Zn Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910018182 Al—Cu Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 229910018134 Al-Mg Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910018467 Al—Mg Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 5
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 22
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 claims description 10
- -1 wt.%: Si 9-12 Substances 0.000 claims description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 229910021364 Al-Si alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000009689 gas atomisation Methods 0.000 claims description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 2
- 229910019074 Mg-Sn Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910019382 Mg—Sn Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 16
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 16
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229910018125 Al-Si Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 229910018520 Al—Si Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 229940091250 Magnesium supplements Drugs 0.000 description 16
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 12
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 12
- 210000001503 Joints Anatomy 0.000 description 10
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 9
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 6
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 3
- ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L Magnesium fluoride Chemical class [F-].[F-].[Mg+2] ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 2
- 231100000078 corrosive Toxicity 0.000 description 2
- 231100001010 corrosive Toxicity 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 2
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 2
- 229910016569 AlF 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000952 Be alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017518 Cu Zn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017752 Cu-Zn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017943 Cu—Zn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018594 Si-Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008355 Si-Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008465 Si—Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006453 Si—Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006776 Si—Zn Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000519995 Stachys sylvatica Species 0.000 description 1
- 229910007610 Zn—Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 239000011083 cement mortar Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 150000004673 fluoride salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003902 lesions Effects 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000001699 lower leg Anatomy 0.000 description 1
- 229910001635 magnesium fluoride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 230000003334 potential Effects 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 229910002058 ternary alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии алюминия и может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и сплавов на его основе.The invention relates to the field of aluminum powder metallurgy and can be used to obtain brazed structures from aluminum and alloys based on it.
Известен припой для пайки алюминиевых сплавов состава (мас. %): германий 14-52, по крайней мере, один из компонентов группы: кремний, магний, висмут, стронций, литий, медь, кальций, цинк и олово 0-10, алюминий - остальное (международная заявка WO/1992/019780, B23K 35/28, С22С 21/00), аналог.Known solder for soldering aluminum alloys composition (wt.%): germanium 14-52, at least one of the components of the group: silicon, magnesium, bismuth, strontium, lithium, copper, calcium, zinc and tin 0-10, aluminum - the rest (international application WO/1992/019780, B23K 35/28, C22C 21/00), analogue.
Недостатками припоя являются низкая коррозионная стойкость паяных соединений и высокая стоимость вследствие высокого содержания германия.The disadvantages of solder are the low corrosion resistance of solder joints and the high cost due to the high content of germanium.
Известен способ пайки алюминия и материал для пайки алюминия (патент RU 2164460, 2001 г.), принятый за прототип.A known method of soldering aluminum and material for soldering aluminum (patent RU 2164460, 2001), taken as a prototype.
Недостатками способа и материала являются то, что в составе материала используются порошки элементарных кремния, цинка, меди и германия. Авторы вскользь упоминают двойные и тройные сплавы систем Al-Si, Al-Cu, Al-Zn, Al-Si-Cu, Al-Cu-Zn, Al-Si-Zn и Zn, однако конкретных концентраций не приводят.The disadvantages of the method and material are that the composition of the material uses powders of elemental silicon, zinc, copper and germanium. The authors casually mention binary and ternary alloys of the Al-Si, Al-Cu, Al-Zn, Al-Si-Cu, Al-Cu-Zn, Al-Si-Zn and Zn systems, but do not give specific concentrations.
Действительно, кремний, цинк, медь и германий имеют значительную растворимость в алюминии, даже в твердом состоянии (см. табл. 2), но получаемый состав переменен и непредсказуем. Может образоваться сплав с такими концентрациями элементов, температура плавления которого будет выше температуры плавления основного компонента припоя Al-12%Si (577°С), что ухудшит условия паяемости конструкций.Indeed, silicon, zinc, copper, and germanium have significant solubility in aluminum, even in the solid state (see Table 2), but the resulting composition is variable and unpredictable. An alloy with such concentrations of elements can be formed, the melting temperature of which will be higher than the melting temperature of the main component of Al-12% Si solder (577°C), which will worsen the conditions for soldering structures.
К примеру, ухудшение паяемости произойдет, если при использовании порошка элементарного кремния и его растворении в алюминии будет получен сплав с содержанием кремния, выходящим за пределы 9-13 мас. %. То же относится и к меди (допустимые пределы 24-42 мас. %), и к цинку (53-100 мас. %) и к германию (10-70 мас. %).For example, deterioration in solderability will occur if, when using elemental silicon powder and dissolving it in aluminum, an alloy with a silicon content that goes beyond 9-13 wt. %. The same applies to copper (permissible limits 24-42 wt.%), and zinc (53-100 wt.%) and germanium (10-70 wt.%).
На исправление этого недостатка и нацелено настоящее изобретение.The present invention is aimed at correcting this shortcoming.
Предлагается смесевой порошковый припой для пайки алюминия и сплавов на его основе содержит следующие компоненты в следующем соотношении, мас. %: кремний 9-12, и, по меньшей мере, один из элементов из группы, включающей медь 0,005-4,0, цинк 0,005-4,0, магний 0,005-1,5, олово 0,005-1,0, алюминий - остальное. Суммарное содержание меди, цинка, магния и олова составляет 1,0-9,0 мас. %.Offered mixed powder solder for soldering aluminum and alloys based on it contains the following components in the following ratio, wt. %: silicon 9-12, and at least one of the elements from the group including copper 0.005-4.0, zinc 0.005-4.0, magnesium 0.005-1.5, tin 0.005-1.0, aluminum - rest. The total content of copper, zinc, magnesium and tin is 1.0-9.0 wt. %.
Задачами изобретения являются повышение эксплуатационных характеристик (прочность, коррозионная стойкость), увеличение номенклатуры паяных соединений из сплавов на основе алюминия и срока службы получаемых конструкций, снижение стоимости за счет отсутствия германия в составе сплава (который вдвое дороже серебра).The objectives of the invention are to improve performance (strength, corrosion resistance), increase the range of brazed joints made of aluminum-based alloys and the service life of the structures obtained, reduce the cost due to the absence of germanium in the alloy (which is twice as expensive as silver).
Технический результат состоит в снижении температуры плавления припоя и возможности проведения процесса пайки при температурах 550-570°С, улучшении технологических свойств (смачивания припоем основного металла и растекаемости) припоя, в обеспечении возможности пайки конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов с температурой солидус ниже 550°С, получения высокой прочности спая и коррозионной стойкости паяных соединений, увеличение срока службы получаемых конструкций.The technical result consists in reducing the melting temperature of the solder and the possibility of carrying out the soldering process at temperatures of 550-570°C, improving the technological properties (wetting of the base metal with solder and spreading) of the solder, in enabling the soldering of structures made of high-strength aluminum alloys with a solidus temperature below 550°C , obtaining high solder strength and corrosion resistance of brazed joints, increasing the service life of the resulting structures.
Указанный технический результат достигается тем, что припой для пайки алюминия и сплавов на его основе, содержащий алюминий, кремний и, по крайней мере, один элемент из ряда: медь, цинк, магний, олово при следующем содержании компонентов (мас. %): кремний 9-12; медь 0,005-4,0, цинк 0,005-4,0, магний 0,005-1,5, олово 0,005-1,0, алюминий - остальное, причем суммарное содержание меди, цинка, магния, олова составляет 1,0-9,0 мас. %.The specified technical result is achieved by the fact that the solder for soldering aluminum and alloys based on it, containing aluminum, silicon and at least one element from the series: copper, zinc, magnesium, tin with the following content of components (wt.%): silicon 9-12; copper 0.005-4.0, zinc 0.005-4.0, magnesium 0.005-1.5, tin 0.005-1.0, aluminum - the rest, and the total content of copper, zinc, magnesium, tin is 1.0-9.0 wt. %.
Отличительной особенностью предлагаемого припоя является то, что он состоит из порошков бинарных сплавов на основе алюминия (мас. %), а именно: порошка Al-12Si - основной компонент (известный); порошка системы Al-Cu; и/или порошка системы Al-Zn; и/или порошка системы Al-Mg; и/или порошка системы Al-Sn. Последние четыре порошка сплавов улучшают физико-химические и служебные свойства смесевого материала при использовании его в качестве припоя.A distinctive feature of the proposed solder is that it consists of powders of binary alloys based on aluminum (wt.%), namely: powder Al-12Si - the main component (known); powder of the Al-Cu system; and/or powder of the Al-Zn system; and/or powder of the Al-Mg system; and/or powder of the Al-Sn system. The last four alloy powders improve the physicochemical and service properties of the mixed material when used as a solder.
Обязательное требование к порошкам всех компонентов - их получение методом высокоскоростного охлаждения. Процессы газового распыления расплава обеспечивают скорости охлаждения частиц крупностью 40-140 мкм на уровне 104-103°С/с, крупностью 10-40 мкм - на уровне 105-104°С/с, крупностью 0,01-10 мкм - на уровне 106-105°С/с, что необходимо для формирования равномерной структуры «микрослитка».A mandatory requirement for powders of all components is their production by high-speed cooling. The processes of gas atomization of the melt provide cooling rates of particles with a particle size of 40-140 microns at the level of 10 4 -10 3 °C / s, with a particle size of 10-40 microns - at the level of 10 5 -10 4 °C / s, with a particle size of 0.01-10 microns - at the level of 10 6 -10 5 °C/s, which is necessary for the formation of a uniform structure of the "microingot".
Кремний, медь, цинк, магний и олово являются основными компонентами заявляемого смесевого припоя, обеспечивающими сужение интервала между солидусом и ликвидусом и снижение температуры плавления припоя. Кремний, цинк, медь обеспечивают повышение служебных характеристик - прочности и технологичности припоя.Silicon, copper, zinc, magnesium and tin are the main components of the proposed mixed solder, which narrow the interval between solidus and liquidus and reduce the solder melting temperature. Silicon, zinc, copper provide an increase in service characteristics - the strength and manufacturability of the solder.
Кремний образует с алюминием эвтектику Al-12Si (мас. %) с температурой плавления 577°С. Итоговое содержание кремния в смесевом припое составляет 9-12 (мас. %). Нижний предел его содержания обеспечивает достаточную жидкотекучесть и предотвращение образования горячих трещин при пайке; верхний предел позволяет значительной части припоя закристаллизоваться вблизи точки эвтектики, только легкоплавкие фазы (эвтектики с участием меди, цинка, магния и олова) остаются жидкими. К этому моменту припой позволяет сформировать достаточно прочную структуру, способную противостоять усадке до полного затвердевания без образования горячих трещин.Silicon forms with aluminum the eutectic Al-12Si (wt %) with a melting point of 577°C. The final content of silicon in the mixed solder is 9-12 (wt.%). The lower limit of its content provides sufficient fluidity and prevention of hot cracks during soldering; the upper limit allows a significant part of the solder to crystallize near the eutectic point, only low-melting phases (eutectics with the participation of copper, zinc, magnesium and tin) remain liquid. At this point, the solder allows the formation of a sufficiently strong structure that can withstand shrinkage until it solidifies completely without the formation of hot cracks.
Для улучшения механических (повышения пластичности) и технологических свойств припоя используют добавки металлов-модификаторов, суть влияния которых сводится к измельчению зерен кремния в составе эвтектики.To improve the mechanical (increase in plasticity) and technological properties of the solder, additives of metal modifiers are used, the essence of the influence of which is reduced to the grinding of silicon grains in the composition of the eutectic.
Магний относится к высокоэффективным модификаторам, цинк - к среднеэффективным, олово - к малоэффективным. Медь не является модификатором для эвтектических силуминов; ее основная роль - находясь в составе легкоплавкой эвтектики с алюминием разрушать оксидные пленки частиц сплавов Al-Si, Al-Mg, Al-Zn, Al-Sn и облегчать тем самым непростую задачу спекания порошков алюминиевых сплавов с образованием единого прочного спая.Magnesium belongs to highly effective modifiers, zinc - to medium effective ones, tin - to ineffective ones. Copper is not a modifier for eutectic silumins; its main role is to destroy the oxide films of particles of Al-Si, Al-Mg, Al-Zn, Al-Sn alloys, being a part of a low-melting eutectic with aluminum, and thereby facilitate the difficult task of sintering aluminum alloy powders with the formation of a single strong junction.
В данном случае применено комплексное легирование припоя несколькими модификаторами, позволяющее добиться усиления эффекта модифицирования.In this case, a complex alloying of the solder with several modifiers was used, which makes it possible to achieve an enhancement of the modification effect.
Медь и цинк образуют совместно с кремнием и алюминием многокомпонентную эвтектику.Copper and zinc together with silicon and aluminum form a multicomponent eutectic.
В большей степени на снижение температуры ликвидуса влияет медь. Однако из-за большой разности стандартных электродных потенциалов по сравнению с алюминиевой основой медь существенно ухудшает коррозионные свойства паяных соединений и снижает технологические свойства (смачивание основного металла). В связи с этим легирование припоя медью ограничено 4,0 мас. %.To a greater extent, copper affects the decrease in the liquidus temperature. However, due to the large difference in standard electrode potentials compared to the aluminum base, copper significantly worsens the corrosive properties of solder joints and reduces technological properties (wetting of the base metal). In this regard, the doping of solder with copper is limited to 4.0 wt. %.
Легирование цинком, снижая температуру плавления припоя, в меньшей степени влияет на коррозионные свойства паяного соединения. Содержание цинка в сплаве также ограничено 4,0 мас. % во избежание снижения прочностных характеристик спая.Alloying with zinc, reducing the melting point of the solder, affects the corrosive properties of the solder joint to a lesser extent. The content of zinc in the alloy is also limited to 4.0 wt. % in order to avoid a decrease in the strength characteristics of the junction.
Для обеспечения высоких механических и удовлетворительных коррозионных свойств паяных соединений и предотвращения образования горячих трещин при пайке суммарное содержание меди и цинка в сплаве не превышает 7,0 мас. %.To ensure high mechanical and satisfactory corrosion properties of brazed joints and prevent the formation of hot cracks during soldering, the total content of copper and zinc in the alloy does not exceed 7.0 wt. %.
В случае использования припоя для бесфлюсовой пайки в вакууме, в его состав введены небольшие добавки магния. Давление насыщенных паров оксидной пленки алюминия в вакууме крайне мало, и при обычных условиях пайки она не разрушается, что не позволяет получать качественные паяные соединения. Для разрушения оксидной пленки на алюминиевых сплавах при вакуумной пайке применяют металлы-активаторы, которые, вступая во взаимодействие с оксидом алюминия, разрыхляют его и позволяют обеспечить доступ жидкого припоя к паяемой поверхности. Легкоиспаряющимся (с температурой начала испарения ниже температуры плавления припоя на основе алюминия) металлом-активатором является магний. Добавки магния в количестве до 1,5 мас. % в припой на нагреве выше 400°С позволяют обеспечить получение качественных паяных соединений.In the case of using solder for flux-free soldering in a vacuum, small additions of magnesium are introduced into its composition. The saturated vapor pressure of the aluminum oxide film in a vacuum is extremely low, and under normal soldering conditions it does not collapse, which does not allow obtaining high-quality solder joints. To destroy the oxide film on aluminum alloys during vacuum soldering, activator metals are used, which, interacting with aluminum oxide, loosen it and allow liquid solder to reach the soldered surface. Easily evaporating (with the temperature of the beginning of evaporation below the melting temperature of aluminum-based solder) activator metal is magnesium. Magnesium supplements in an amount up to 1.5 wt. % into the solder on heating above 400°C allow to obtain high-quality solder joints.
В процессе пайки в воздушной атмосфере с использованием флюсов на основе фторидов, добавки магния могут образовать тугоплавкие фториды магния (например, MgF2, KMgF3, K2MgF4). Но, поскольку содержание магния ограничено 1,5 мас. %, и не весь магний прореагирует до образования фторидов, а содержание легкоплавкого флюса состава 46 KF - 54 AlF3 (мас. %) в паяльной пасте значительно (20 и более мас. %), то образование 1,0-1,5 мас. % фторида магния не сможет существенно повысить температуру плавления флюса - лишь на 2-3°С, чем в заявляемых условиях можно пренебречь.During air brazing using fluoride-based fluxes, magnesium additives can form refractory magnesium fluorides (eg MgF 2 , KMgF 3 , K 2 MgF 4 ). But, since the magnesium content is limited to 1.5 wt. %, and not all magnesium will react to the formation of fluorides, and the content of low-melting flux composition 46 KF - 54 AlF 3 (wt.%) in the solder paste is significant (20 wt.% or more), then the formation of 1.0-1.5 wt . % magnesium fluoride will not be able to significantly increase the melting point of the flux - only 2-3°C, than in the claimed conditions can be neglected.
Добавки олова используются для модифицирования структуры припоя. Для получения оптимальной структуры необходимо мелкодисперсное междендритное распределение олова. Растворимость олова в алюминии и цинке крайне мала (0,05-0,06 мас. %), взаимная растворимость олова и кремния отсутствует. Максимальное содержание олова в смесевом припое ограничено 1,0 мас. %, т.к. при большем содержании возможно снижение коррозионной стойкости припоя по причине появления легкоплавких эвтектик типа Al-Sn (228,3°С), Al-Zn-Sn (198,5°С), Al-Si-Sn (232°С). При содержании олова менее 0,1 мас. % его модифицирующее действие не проявляется.Tin additives are used to modify the structure of the solder. To obtain an optimal structure, a finely dispersed interdendritic distribution of tin is necessary. The solubility of tin in aluminum and zinc is extremely low (0.05-0.06 wt.%), the mutual solubility of tin and silicon is absent. The maximum content of tin in mixed solder is limited to 1.0 wt. %, because with a higher content, a decrease in the corrosion resistance of the solder is possible due to the appearance of low-melting eutectics such as Al-Sn (228.3 ° C), Al-Zn-Sn (198.5 ° C), Al-Si-Sn (232 ° C). When the tin content is less than 0.1 wt. % its modifying effect is not manifested.
Исходя из вышеизложенных соображений, общее количество меди, цинка, магния и олова в заявляемом смесевом припое ограничено минимальным значением 1,0 и максимальным 9,0 мас. %.Based on the above considerations, the total amount of copper, zinc, magnesium and tin in the proposed mixed solder is limited to a minimum value of 1.0 and a maximum of 9.0 wt. %.
В таблице 1 приведены сведения о температурно-концентрационных интервалах области легирования бинарных сплавов и о положении эвтектических точек.Table 1 provides information on the temperature-concentration ranges of the doping region of binary alloys and on the position of the eutectic points.
Согласно таблице 1, для получения бинарных сплавов в жидком состоянии при 577°С, их химический состав должен быть следующим (мас. %):According to Table 1, in order to obtain binary alloys in a liquid state at 577°C, their chemical composition should be as follows (wt.%):
Al-(24-42)Cu; Al-(54-95)Zn; Al-(16-85)Mg; Al-(84-95)Sn.Al-(24-42)Cu; Al-(54-95)Zn; Al-(16-85)Mg; Al-(84-95)Sn.
Верхнее значение 95 мас. % (а не 100) для цинка и олова установлено из того соображения, что это должны быть порошки сплава, содержащего хотя бы 5% Al, а не чистые порошки Zn или Sn.Upper value 95 wt. % (rather than 100) for zinc and tin is established from the consideration that these should be alloy powders containing at least 5% Al, and not pure Zn or Sn powders.
В таблице 2 приведены значения предельной растворимости различных элементов и фаз в алюминии.Table 2 shows the values of the limiting solubility of various elements and phases in aluminum.
Исходя из сведений таблицы 2, наиболее растворимыми в твердом алюминии (и, соответственно, сплаве Al-12Si) являются Mg→Zn→Cu→Sn (расставлены по мере снижения растворимости). Представляется следующий механизм и химизм сплавообразования - смотри фиг. 1 (Приложение 1), где схематично показаны частицы а) в холодном состоянии б) при температуре выше 550°С в) при температуре выше 5770 С. Описание схемы:Based on the information in Table 2, the most soluble in solid aluminum (and, accordingly, Al-12Si alloy) are Mg→Zn→Cu→Sn (arranged as solubility decreases). The following mechanism and chemistry of alloy formation is presented - see FIG. 1 (Appendix 1), where particles are schematically shown a) in a cold state b) at a temperature above 550°C c) at a temperature above 5770 C. Description of the scheme:
а) мелкие, размером 0,01-40 мкм (предпочтительно 0,01-10 мкм), частицы бинарных сплавов Al-Ме равномерно распределены по поверхности крупных (40-140 мкм) частиц порошка сплава Al-12%Si;a) fine, 0.01-40 µm in size (preferably 0.01-10 µm), particles of Al-Me binary alloys are uniformly distributed over the surface of large (40-140 µm) Al-12% Si alloy powder particles;
б) частицы Al-Ме расплавляются, сплав растекается по поверхности частиц Al-12Si и смачивает их;b) Al-Me particles melt, the alloy spreads over the surface of Al-12Si particles and wets them;
в) частицы Al-12Si расплавляются, а элемент Me, входящий в расплав Al-Ме, начинает диффундировать вглубь сплава Al-12Si, образуя пограничный более легкоплавкий сплав Al-Si-Me переменного состава.c) Al-12Si particles melt, and the Me element, which enters the Al-Me melt, begins to diffuse deep into the Al-12Si alloy, forming a boundary, more fusible Al-Si-Me alloy of variable composition.
Поскольку частицы основного сплава относительно крупные, а частицы бинарных сплавов относительно мелки, и суммарное содержание порошков бинарных сплавов невелико (до 18%, см. таблицу 3), элементы Cu, Mg, Zn и Sn не продиффундируют вглубь частиц сплава Al-Si, а создадут приповерхностный обогащенный этими элементами легкоплавкий слой с сохранением в ядре частицы исходного состава Al-12Si.Since the particles of the base alloy are relatively large, and the particles of binary alloys are relatively small, and the total content of powders of binary alloys is small (up to 18%, see Table 3), the elements Cu, Mg, Zn and Sn will not diffuse deep into the Al-Si alloy particles, but they will create a near-surface low-melting layer enriched with these elements while maintaining the core of the particle of the initial composition Al-12Si.
Такой механизм неравновесного сплавообразования подобен кирпичной кладке, когда между твердыми кирпичами положен жидкий цементный раствор. Отличие состоит в том, что у кирпича и раствора есть только механическое сцепление, а в случае упомянутого сплавообразования частицы скреплены еще и химически за счет образования единого более легкоплавкого, чем Al-12Si, сплава Al-Si-Me переменного состава.Such a mechanism of non-equilibrium alloy formation is similar to brickwork, when a liquid cement mortar is placed between solid bricks. The difference lies in the fact that brick and mortar have only mechanical adhesion, and in the case of the mentioned alloy formation, the particles are also chemically bonded due to the formation of a single, more fusible than Al-12Si, Al-Si-Me alloy of variable composition.
Пример.Example.
Для проведения экспериментов использовали распыленные азотом порошки сплавов (мас. %): Al-12Si, Al-33Cu, Al-80Zn, Al-50Mg, Al-80Sn.The following alloy powders (wt %) sprayed with nitrogen were used for the experiments: Al-12Si, Al-33Cu, Al-80Zn, Al-50Mg, Al-80Sn.
Из порошка Al-12Si выделяли фракцию 40-140 мкм рассевом на ситах 004 и 014 по ГОСТ 6613-86. Из порошков остальных сплавов выделяли фракцию 0-29 мкм рассевом на сите 0029 по ТУ 1276-003-38279335-2013.A fraction of 40–140 µm was isolated from the Al-12Si powder by sieving on sieves 004 and 014 according to GOST 6613-86. A fraction of 0–29 µm was isolated from powders of other alloys by sieving on a 0029 sieve according to TU 1276-003-38279335-2013.
Порошки указанных бинарных сплавов Al-Ме добавляют к основному порошку припоя Al-12Si с тем расчетом, чтобы содержание элемента Me не превышало: по 4,0 мас. % Cu и Zn каждого, 1,5 - Mg, и 1,0 - Sn, и 9,0 мас. % - всех в сумме. Примеры составления порошковых смесей, химические составы полученных неравновесных порошковых сплавов и результаты приведены в таблице 3.The powders of these binary Al-Me alloys are added to the main Al-12Si solder powder so that the content of the Me element does not exceed: 4.0 wt. % Cu and Zn each, 1.5 - Mg, and 1.0 - Sn, and 9.0 wt. % - all in total. Examples of the composition of powder mixtures, the chemical compositions of the obtained non-equilibrium powder alloys and the results are shown in Table 3.
Пример составления смеси Al-12Si, Al-33Cu, Al-50Mg с расчетом, чтобы содержание Cu составляло 4,0, a Mg - 1,5 (мас. %) - № образца 9.An example of the composition of a mixture of Al-12Si, Al-33Cu, Al-50Mg with the expectation that the Cu content is 4.0, and Mg is 1.5 (wt.%) - Sample No. 9.
По алюминий-меди: For aluminum-copper:
По алюминий-магнию: For aluminium-magnesium:
По алюминий-кремнию: [Al-Si]=100-12,1-3=84,9%;For aluminum-silicon: [Al-Si]=100-12.1-3=84.9%;
По кремнию [Si]=12⋅0,849=10,19%For silicon [Si]=12⋅0.849=10.19%
Смесевой порошковый припой использовали для пайки двух пластин толщиной 3 мм из сплава Д16 в герметичном контейнере, установленном в печи марки Накал, модель ПКМ 4.8.4/12,5 в атмосфере особочистого азота ([О2]≤7 ppm) с использованием флюса состава (мас. %) 54AlF3-46KF. Температура пайки составляла 577°С. Контейнер продувался тридцатикратным объемом азота высокой чистоты (чистота не хуже 99,999%). Пластины располагались внахлест, на всю площадь контакта двух пластин наносился слой пасты толщиной примерно 1 мм.Mixed solder powder was used for soldering two plates 3 mm thick from alloy D16 in a sealed container installed in a Nakal furnace, model PKM 4.8.4/12.5 in an atmosphere of high-purity nitrogen ([O 2 ] ≤ 7 ppm) using a flux composition (wt.%) 54AlF 3 -46KF. The soldering temperature was 577°C. The container was purged with thirty times the volume of high purity nitrogen (no worse than 99.999% purity). The plates were overlapped, and a layer of paste approximately 1 mm thick was applied over the entire contact area of the two plates.
Выдержка при температуре пайки составляла 8 мин.The exposure at the soldering temperature was 8 min.
Для исследования каждого образца припоя были изготовлены 5 пар пластин паяных образцов, пайку которых осуществляли за одну садку.To study each solder sample, 5 pairs of plates of solder samples were made, the soldering of which was carried out in one charge.
При пайке припоем-прототипом отмечена меньшая растекаемость припоя по сравнению с заявленным.When soldering solder-prototype marked lower solder spreading compared to the claimed.
После пайки осуществляли отмывку флюса в ультразвуковой ванне. После отмывки остатков флюса визуально было установлено формирование качественного паяного соединения.After soldering, the flux was washed in an ultrasonic bath. After washing off the flux residues, the formation of a high-quality solder joint was visually established.
Следующие два этапа исследований - механические испытания паяных соединений на растяжение и коррозионные испытания паяных соединений в соляном тумане по ускоренной методике.The next two stages of research are mechanical tensile tests of solder joints and corrosion tests of solder joints in salt fog using an accelerated method.
Механические испытания паяных образцов на работе проводили согласно ИСО 6892-84 на стандартизованной испытательной машине марки Р-10. Образцы для испытаний изготовили по ГОСТ 5264-80 (нахлесточное соединение). Результаты испытаний представлены в таблице 3. Образцы при испытании на растяжение разрушались по месту спайки, при этом место спайки было ослаблено боковыми радиусами по 5 мм при ширине хвостовика 20 мм и толщине 3 мм. В месте паяльного шва толщина была 10 мм.Mechanical tests of brazed samples at work were carried out according to ISO 6892-84 on a standardized testing machine of the R-10 brand. Test specimens were made according to GOST 5264-80 (lap joint). The test results are presented in Table 3. During the tensile test, the specimens failed at the solder joint, while the solder joint was weakened by lateral radii of 5 mm with a shank width of 20 mm and a thickness of 3 mm. At the place of the soldering seam, the thickness was 10 mm.
Испытаниями установлено, что заявленный припой позволяет повысить прочность соединений по сравнению с прототипом на 2-12%. Испытания на прочность проводились на образцах по ГОСТ 5264-80 (нахлесточное соединение).Tests found that the claimed solder allows you to increase the strength of the joints in comparison with the prototype by 2-12%. Strength tests were carried out on samples according to GOST 5264-80 (lap joint).
Непропай отсутствовал, в то время как часть образцов, паяных припоем-прототипом, разрушалась по дефектам шва («непропаям»), обусловленным недостаточной смачиваемостью припоем основного металла и растекаемостью припоя.There was no solder, while some of the samples soldered with the prototype solder were destroyed by seam defects (“non-solders”), due to insufficient wettability of the base metal solder and solder spreading.
После испытаний на коррозионную стойкость образцов, спаянных припоем-прототипом, на поверхности паяного шва выявлены локальные очаги коррозионного поражения в виде небольших белых пятен. На поверхности образцов, паянных заявленным припоем, очагов коррозионного поражения визуально не обнаружено.After testing for corrosion resistance of samples soldered with a prototype solder, local centers of corrosion damage in the form of small white spots were revealed on the surface of the brazed joint. On the surface of the samples brazed with the claimed solder, no corrosion lesions were visually detected.
Таким образом, заявленный припой обеспечивает более высокую по сравнению с припоем-прототипом прочность (не ниже 130 МПа), и повышает технологичность припоя, обеспечивает проведение пайки при температурах от 550°С, что позволит использовать припой для пайки большинства современных конструкционных алюминиевых сплавов.Thus, the claimed solder provides a higher strength compared to the solder prototype (not lower than 130 MPa), and improves the processability of the solder, provides soldering at temperatures from 550 ° C, which will allow the use of solder for soldering most modern structural aluminum alloys.
Claims (7)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2779439C1 true RU2779439C1 (en) | 2022-09-07 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0810057A1 (en) * | 1996-05-30 | 1997-12-03 | Advance Research Chemicals, Inc. | Brazing flux |
RU2164460C2 (en) * | 1995-09-22 | 2001-03-27 | Элкэн Интернешнл Лимитед | Method and material for soldering aluminium |
RU2263568C2 (en) * | 2004-01-08 | 2005-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток"(ФГУП НПП "Исток) | Paste for soldering aluminum and its alloys |
RU2285593C1 (en) * | 2005-03-21 | 2006-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | Aluminum and its alloys soldering method |
RU2288080C1 (en) * | 2005-04-05 | 2006-11-27 | Андрей Валентинович Полторыбатько | Aluminum and its alloys soldering method, composition for soldering aluminum and its alloys |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2164460C2 (en) * | 1995-09-22 | 2001-03-27 | Элкэн Интернешнл Лимитед | Method and material for soldering aluminium |
EP0810057A1 (en) * | 1996-05-30 | 1997-12-03 | Advance Research Chemicals, Inc. | Brazing flux |
RU2263568C2 (en) * | 2004-01-08 | 2005-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток"(ФГУП НПП "Исток) | Paste for soldering aluminum and its alloys |
RU2285593C1 (en) * | 2005-03-21 | 2006-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Исток" (ФГУП НПП "Исток") | Aluminum and its alloys soldering method |
RU2288080C1 (en) * | 2005-04-05 | 2006-11-27 | Андрей Валентинович Полторыбатько | Aluminum and its alloys soldering method, composition for soldering aluminum and its alloys |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2648021B2 (en) | Method for brazing metal members and mixture for brazing | |
JP6730999B2 (en) | Highly reliable lead-free solder alloy for electronic applications in harsh environments | |
CA1206076A (en) | Flux for brazing aluminum and method of employing the same | |
JPH0551398B2 (en) | ||
Zhao et al. | Controlled atmosphere brazing of aluminum | |
EP2732906B1 (en) | Flux for brazing aluminum materials | |
EP2732907B1 (en) | Flux for brazing aluminum materials | |
JPH0368097B2 (en) | ||
RU2779439C1 (en) | Mixed powder solder for soldering aluminum and alloys based on it | |
JP3343498B2 (en) | Low temperature brazing filler metal | |
JPH1034375A (en) | Method for brazing aluminum alloy | |
Tsao et al. | Brazeability of a 3003 Aluminum alloy with Al-Si-Cu-based filler metals | |
KR20070101866A (en) | Aluminium alloy brazing material | |
JP2013086103A (en) | Aluminum alloy brazing sheet | |
JP3765707B2 (en) | Brazing flux and brazing flux of aluminum or aluminum alloy material | |
WO2022050030A1 (en) | Aluminum alloy extruded tube and heat exchanger | |
RU2584357C1 (en) | Solder for soldering aluminium and alloys thereof | |
WO1993008952A1 (en) | Method for modifying the surface of an aluminum substrate | |
US3356494A (en) | Fluxless aluminum brazing alloys | |
JP2000153390A (en) | Brazing filler metal, and brazed body | |
Timsit et al. | A novel brazing technique for aluminum and other metals | |
JP4635796B2 (en) | Brazing method for aluminum alloy castings and brazed liquid-cooled parts | |
WO2022050029A1 (en) | Aluminum alloy extruded tube and heat exchanger | |
JPH11285816A (en) | Brazing flux for aluminum and brazing method | |
JP2721912B2 (en) | Powder brazing filler metal for aluminum |