Способ соединения металлов и сплавов

 

Изобретение относится к технологии соединения металлов и сплавов, позволяющей получать сложные неразъемные конструкции с прочностью клеевого шва на сдвиг при 320 - 850°С МПа при высоких температурах эксплуатации. Сущность изобретения: способ соединения металлов и сплавов включает подготовку контактных поверхностей, нанесение слоя клеевой композиции, содержащей, мас%: поликарбосилан, с молекулярной массой не менее 700 и полиорганосилазан с молекулярной массой не менее 900 и содержанием сухого остатка не менее 80%, порошковый наполнитель и отвердитель, после чего осуществляют отверждение композиции при температуре 150 - 400°С, в течение 0,5 - 3,0 ч и затем проводят термообработку в среде азота, аргона или гелия при температуре 700 - 1600°С в течение 0,3 - 1 ч при следующем соотношении компонентов, мас.%: поликарбосилан 5 - 20, полиорганосилазан 5 - 20, отвердитель 0,5 - 3,0, порошковый наполнитель остальное. В качестве наполнителя используют соединение, выбранное из группы, включающей: нитриды алюминия, кремния, бора или титана, карбиды кремния, бора и титана, оксиды кремния, алюминия, иттрия или циркония, металл или сплав, подобный соединяемым, а в качестве отвердителя используют пероксид дикумила, или бензоила, или трет-бутила или лаурила. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к технологии соединения металлов и сплавов с применением полимерной кремнийсодержащей композиции и может быть использовано в машиностроительной, авиакосмической, радиотехнической, автомобильной промышленности и других областях техники для изготовления металлических неразъемных деталей и конструкций.

Известен способ соединения металлов и сплавов, в частности, деталей из алюминия и его сплавов, включающий подготовку поверхностей соединяемых деталей водным раствором гидроксида натрия при 40-60^оС, затем водным раствором серной кислоты в присутствии триоксида хрома, нанесение на подготовленную поверхность детали полимерной пленки из полиэтилентерефталата с последующей термообработкой при 250-285^оС в течение 15-80 мин [1] Недостатком указанного способа является его технологическая сложность из-за использования агрессивных сред на стадии подготовки соединяемых поверхностей, низкие температуры эксплуатации.

Известен способ соединения металлов и сплавов (металлических материалов), включающий подготовку поверхностей соединяемых металлических материалов механической обработкой с последующей очисткой поверхности моющими средствами, нанесение на подготовленную поверхность кремнийсодержащий полимерный клеевой композиции, состоящей из кремнийорганического сополимера, асбеста и растворителя (клей ВК-15), с последующим соединением поверхностей при температуре 150^оС в течение 2 ч при давлении 0,1-0,3 МПа [2] Способ позволяет соединять стали, титановые и другие сплавы, однако, прочность на сдвиг клеевых соединений не превышает 11,0 МПа при температуре 20^оС, прочность при неравномерном отрыве составляет не более 110 кН/м². Полученные таким образом конструкции могут эксплуатироваться при температурах не выше 500^оС.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к заявляемому, является способ соединения металлов и сплавов, включающий подготовку поверхностей соединяемых материалов (зачистку и обезжиривание), нанесение на подготовленную поверхность полимерной композиции, содержащей кремнийорганический полимер (полиметилфенилсилоксан), инициатор отверждения, порошковый наполнитель (асбест, оксид хрома) и двухстадийную обработку соединяемых поверхностей при температуре 200^оС (2 ч) и при температуре 500^оС (2 ч) [3] Недостатком способа является низкая прочность соединений 11-12 МПа, относительно невысокие температуры эксплуатации не выше 500^оС.

Целью изобретения является создание технологически более простого способа соединения металлов и сплавов, позволяющего получать сложные неразъемные конструкции с высокой прочностью клеевого шва при высокой температуре эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что способ соединения металлов и сплавов включает подготовку контактных поверхностей соединяемых материалов, нанесение слоя полимерной клеевой композиции, состоящей из кремнийорганического связующего и порошкового наполнителя, 2-х стадийную термообработку на первой стадии при температуре 150-400^оС на воздухе в течение 0,5-3,0 ч, на второй стадии при температуре 750-1600^оС в среде азота, аргона или гелия в течение 700-1600^оС. При этом клеевая композиция в качестве кремнийорганического связующего содержит поликарбосилан (РКС) с мол. массой не менее 700, полиорганосилазан (ПСЗ) с мол. массой не менее 900 и содержанием сухого остатка не менее 80% и инициатор отверждения в виде перекиси бензоила, дикумила, трет-бутила или лаурила, а в качестве порошкового наполнителя содержит соединение, выбранное из группы, включающей: нитриды алюминия, бора или титана, карбиды кремния, бора или титана, оксиды алюминия, кремния, иттрия или циркония, металл или сплав, подобный соединяемым, при следующем соотношении компонентов, мас. Поликарбосилан 5,0-20,0 Полиорганосилазан 5,0-20,0 Инициатор отверж- дения 0,5-3,0 Порошковый напол- нитель Остальное В качестве поликарбосилана могут быть использованы соединения общих формул Me₂SilH-RRʹSi(I) или MeHSilH (II) где R, R', H, Alk, Ar, Vin; Y 10-60; n 1-20_m 0,1; х 2-50 с молекулярной массой не менее 700.

В качестве полиорганосилазана могут быть использованы соединения общей формулы [RSi(NH)_1,5]_a[RʹRʺSNH]_b[Me₃SiNH] (III) где R, R', R'' H, Alk, Рh, Vin, C l;
a, b, c 0-3; n 3-10 с молекулярной массой не менее 900 и содержанием сухого остатка не менее 80%
В качестве соединяемых металлических материалов могут быть использованы любые металлы и сплавы, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью, а также любые марки сталей, латуни, бронзы. Для соединения могут быть использованы пластины, простые и сложные конструкции любых размеров.

Подготовку поверхностей соединяемых металлических материалов проводят путем их обезжиривания обработкой моющими средствами.

Получение полимерной композиции осуществляют следующим образом.

В металлический стакан, снабженный рубашкой с охлаждением и лопастной мешалкой, помещают кремнийорганическое связующее: поликарбосилан общей формулы (I) или (II) с молекулярной массой не менее 700 (5-20 мас.), полиорганосилазан (III) в виде толуольного раствора (содержание сухого остатка не менее 80%) и с молекулярной массой не менее 900 (5-20 мас.) и 0,5-3,0 мас. органической перекиси (перекиси дикумила, бензоила, трет-бутила или лаурила), перемешивают в течение 15-20 мин. Затем в органической части клеевой композиции в течение 1 ч при постоянном интенсивном перемешивании порциями добавляют до 10 мас. порошковый наполнитель, в качестве которого используют соединения из группы, содержащей нитриды, карбиды, оксиды (натрид алюминия, бора, кремния, титана, карбид кремния, бора, титана, оксид алюминия, кремния, иттрия, циркония), металлы и сплавы, аналогичные соединяемым. Указанные соединения не ограничивают возможность использования ряда других известных тугоплавких соединений. Порошковый наполнитель может быть использован с размером частиц не более 50 мкм. Гомогенизацию клеевой композиции проводят в шаровой мельнице в течение не более 4-х ч со скоростью 1000 об/мин. На подготовленные металлические поверхности полимерную клеевую композицию наносят с помощью штапеля, кисти или распылителя. Путем наложения фиксируют соединяемые металлические поверхности друг относительно друга с помощью механических зажимов. Затем осуществляют термообработку подготовленных и закрепленных металлических поверхностей под давлением 0,5-1 кгс/см² при температуре 150-400^оС на воздухе. По окончании, механические зажимы снимают и проводят термообработку при температуре 750-1600^оС в атмосфере инертного газа (азот, аргон, гелий).

П р и м е р 1. Соединение пластин титанового сплава.

Поверхности пластин (100 x 20 x 2) из титанового сплава марки ВТ-6 механически обрабатывают наждачной бумагой, промывают моющим средством ОП-7 (или ОП-10), водой, высушивают при 50-60^оС. На подготовленную поверхность наносят кисточкой полимерную клеевую композицию равномерным слоем 0,5-1 мм состава, мас. Поликарбосилан с моле- кулярной массой 1000 15,0 Полиорганосилазан с мо- лекулярной массой 1040 10,0 Перекись лаурила 3,0 Нитрид кремния 30,0 Карбид титана 18,5 ВТ-6 23,5 Закрепляют пластины внахлест на 10 мм друг относительно друга зажимами и проводят их термообработку в виде стадии. На первой стадии закрепленные пластины (давление около 0,5 кгс/см²) помещают в предварительно нагретую до 350^оС муфельную печь и выдерживают в течение 1 ч на воздухе. При этих условиях происходит отверждение клеевого состава, что обеспечивает композиции необходимую когезионную прочность сцепления со сплавом. На второй стадии температуру обработки пластины повышают до 1500^оС и выдерживают в течение 0,5 ч в среде аргона. При этих условиях отработки происходит термодеструкция клеевой композиции с пиролизом кремнийорганических компонентов связующего поликарбосилана и полиорганосилаза с выходом неорганического остатка до 92 мас. представляющего собой гетерогенную смесь нитрида и карбида кремния с примесью углерода и кремния. При этом происходит диффузионное проникновение элементов клеевого слоя и продуктов его термодеструкции в поверхность соединяемых пластин, что приводит к их прочному соединению. Прочность на сдвиг составила 740 МПа при 20^оС.

Другие примеры соединения металлических материалов представлены в таблице с указанием состава полимерной клеевой композиции, режимов соединения и прочности полученного соединения на сдвиг.

Как следует из представленных данных, изобретение позволяет получать клеевые соединения металлов и сплавов, обладающие высокими механо-прочностными характеристиками с прочностью на сдвиг 320-850 МПа. При этом высокие эксплуатационные свойства клеевых конструкций остаются практически постоянными в широком интервале температур (20-1600^оС), что позволяет использовать предлагаемый способ соединения металлов и сплавов практически в любых отраслях промышленности.

Формула изобретения

1. СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, включающий подготовку поверхностей соединяемых материалов, нанесение на подготовленную поверхность клеевой композиции, содержащей кремний органический компонент, порошковые наполнитель и отвердитель, отверждение композиции и ее термообработку, отличающаяся тем, что используют клеевую композицию, содержащую в качестве кремнийорганического компонента поликарбосилан с мол.м. не менее 700 и полиорганосилазан с мол.м. не менее 900 и содержанием сухого остатка не менее 80% отверждение композиции осуществляют при 150-400^oС в течение 0,5-3,0 ч, а термообработку проводят в среде азота, аргона или гелия при 700-1600^oС в течение 0,3-1 ч при следующем соотношении компонентов, мас.

Поликарбосилан 5 20
Полиорганосилазан 5 20
Отвердитель 0,5 3,0
Порошковый наполнитель Остальное
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют клеевую композицию, содержащую в качестве наполнителя соединение, выбранное из группы, включающей нитриды алюминия, кремния, бора и титана, карбиды кремния, бора и титана, оксиды кремния, алюминия, иттрия и циркония, металл или сплав подобный соединяемым.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что используют клеевую композицию, содержащую в качестве отвердителя пероксид дикумила, или бензоила, или бензоила, или трет-бутила, или лаурила.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5