Способ соединения элементов с помощью серебряно/германиевых сплавов и используемый в нем серебряно/германиевый сплав

 

Способ соединения элементов, использующий сплав на основе серебра, имеющий медную и германиевую составляющие, включает подготовку двух соединяемых элементов, по крайней мере, один из которых содержит сплав на основе серебра, имеющий медную и германиевую составляющие, затем указанные элементы располагают в непосредственной близости один от другого с обеспечением контакта свободной поверхности сплава на основе серебра с частью свободной поверхности другого элемента без введения заполняющего материала между этими свободными поверхностями и нагревают их в местах примыкания друг к другу до температуры ниже температуры по линии солидус любого из составляющих материалов соединяемых элементов для соединения этих элементов посредством процесса диффузии. Вторым объектом изобретения является сплав для использования в этом способе. Техническим результатом от реализации изобретения является соединение элементов без использования дополнительного заполняющего материала при температурах ниже температуры затвердевания компонентов. 2 с. и 8 з. п.ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к способу соединения металлов друг с другом за счет процесса диффузии с помощью серебряно/германиевого сплава к составу этого серебряно/германиевого сплава, который особенно предпочтителен для использования в способе по данному изобретению. Более конкретно настоящее изобретение относится к такому способу, использующему сплав меди/серебра/германия, в котором не требуется введения дополнительного заполняющего материала.

Обычно металлы соединяются тремя основными способами: сваркой, твердой пайкой и пайкой мягким припоем. При сварке с применением заполняющего материала выбирается такой заполняющий материал, который по составу аналогичен составу соединяемых частей, и зоны непосредственного контакта частей расплавляются для осуществления соединения. При сварке сопротивлением или при лазерной сварке, т. е. при точечной сварке соседние металлические части, которые необходимо соединить, нагревают до высокой температуры и расплавляют, при этом не требуется заполняющий материал для осуществления соединения. При пайке твердым или мягким припоем применяется заполняющий металл, температура плавления которого значительно ниже, чем у соединяемых металлов, так что зоны контактов соединяемых металлических частей не плавятся. Обычно припои плавятся ниже температуры 450^oC, хотя как при твердой пайке используются более твердые заполняющие металлы, температура плавления которых выше 450^oC. Все известные способы требуют либо использования заполняющего металла, который образует жидкую фазу после нагревания, что способствует соединению частей, либо плавления соединяемых металлических частей. Затем этот заполняющий металл или расплавленные металлические части остывают и затвердевают, образуя таким образом соединение на молекулярном уровне.

Как правило, серебро и серебряные сплавы соединялись с применением процесса твердой пайки. Однако при высоких температурах, необходимых для осуществления соединения методом твердой пайки, возникает так называемое огненное протравливание.

Благодаря высокой тепло- и электропроводности серебро и сплавы на основе серебра широко применяются при изготовлении электрических и электронных контактов. Кроме того, серебро является благородным металлом и применяется при изготовлении ювелирных, серебряных изделий. Поэтому возникла настоятельная необходимость в создании соединений между серебром и серебряными сплавами, и серебром и другими металлами, независимо от того, являются ли они железосодержащими или нет. Желательно также иметь возможность соединения керамики или других неметаллических материалов типа пластиков с металлами. Ранее это в большой степени выполнялось методами прихваточной сварки, мягкой пайки или твердой пайки, что вносило в контакт серебро/серебряный сплав большое количество загрязнений из наполнителя или припоя.

Появления "огненного протравливания", или "огненных пятен" вызываются окислением меди при высоких температурах. Кроме того, хорошо известно, что серебро быстро тускнеет. Это происходит от того, что серебро, которое не окисляется при температуре окружающей среды, вступает в реакцию с серой или сероводородом, что вызывает эффект потускнения. Известно, что добавка малого количества германия в сплав серебро/медь замедляет скорость реакции серебра с серой или сероводородом, тем самым ослабляя эффект потускнения, а также возникновения "огненного протравления" при нагревании сплава серебро/медь/германий до высоких температур, при которых обычно окисляется медь.

Трехкомпонентный сплав серебро/медь/германий можно на воздухе паять твердой пайкой или проводить отжиг пламенем без образования "огненного протравления" и выдавать уже обработанное изделие, которое меньше склонно к потускнению. Однако при проведении твердой пайки требуется заполняющий металл для создания соединения, также необходимо нагревание серебряного сплава до высокой температуры, при этом создаются большие температурные градиенты в зоне соединения.

Задачей данного изобретения является создание способа соединения металлов без использования дополнительного заполняющего металла. Другой задачей данного изобретения является создание способа соединения металлов при температурах ниже температуры затвердевания компонентов, составляющих две соединяемые части. Еще одной задачей данного изобретения является изготовление сплава серебро/германий, который особенно подходит для использования в способе по данному изобретению или в методе сварки без заполняющего материала.

Соответственно одним из объектов данного изобретения является способ соединения двух элементов, в котором применяется сплав на основе серебра с германиевым компонентом, причем этот способ состоит из следующих этапов: приготовление двух элементов, которые надлежит соединить, причем, по крайней мере, один элемент состоит из сплава на основе серебра с германиевым компонентом: расположение этих двух элементов в непосредственной близости один от другого так, чтобы часть свободной поверхности сплава на основе серебра контактировала с частью свободной поверхности другого элемента без введения заполняющего материала между этими двумя свободными поверхностями: и нагревание этих двух свободных поверхностей в месте непосредственной близости двух элементов друг от друга до температуры ниже температур плавления любого из материалов, составляющих элемент, тем самым соединяя эти два элемента, посредством процесса диффузии.

Другим объектом данного изобретения является сплав серебро/германий с содержанием серебра, по крайней мере, 77% по весу и германия от 0,4 до 7% по весу; причем этот сплав содержит бор, способствующий измельчению зерен при концентрации менее 20 ч. на 1 млн.

В целях упрощения понимания существа данного изобретения ниже дается его описание со ссылками на соответствующую иллюстрацию, на которой показано поперечное сечение двух металлических частей А, В, соединенных способом по данному изобретению.

Несмотря на то, что известно о возможности проводить твердую пайку сплава серебро/медь/германий с меньшим риском образования огненного протравливания паяных зон, было обнаружено, что нет необходимости проводить твердую пайку сплава серебро/медь/германий для создания соединения. Следовательно, при создании соединения способом по данному изобретению нет необходимости расплавлять зоны соединения или заполняющий металл или вообще пользоваться заполняющим металлом.

Для создания такого соединения в соответствии с одним примером изобретения выполняются следующие этапы.

Поверхности двух кусков материала, одним из которых является сплав серебра, содержащий медь и германий, подготавливаются таким образом, что соединяемые поверхности (парные поверхности) не имеют больших зазоров между собой так, чтобы эти поверхности были сцеплены друг с другом на максимально большом участке. Эти два куска материала A, B (смотри фиг.) затем располагаются в непосредственной близости один от другого так, чтобы достигалось желаемое расположение предполагаемого соединения. При таком расположении этих кусков материала на соединение J затем подается энергия нагревания (смотри фиг. ) для создания диффузии между парными расположенными в непосредственной близости друг от друга поверхностями. Эта энергия нагрева подается в течение заранее определенного времени так, чтобы температура двух соединяемых кусков материала не превышала температуры, соответствующей линии солидус ни одного из составляющих компонентов материалов этих кусков. Следовательно, плавление двух соединяемых материалов не имеет места и не требуется заполняющий металл.

Как видно из сопроводительной фиг., зернистая структура обоих материалов A, B в зоне соединения практически не задета, а линия шва J обнаруживается с большим трудом. Такие швы приятны эстетически, что выгодно при использовании данного метода в ювелирном деле.

Возможность образовывать соединение с помощью сплава серебро/медь/германий в соответствии с данными изобретением, вероятно, возникает благодаря диффузионному движению атомов на парных поверхностях этих двух соединяемых кусков материала и, в частности, объемной диффузии атомов германия в вакансии на примыкающей поверхности другого куска материала. Такие вакансии обычно бывают на свободных поверхностях металлов и поэтому возможно соединить, например, металлическую деталь, состоящую из сплава серебро/медь/германий, с любым другим сплавом серебро/медь/германий или с ферритовым или неферритовым металлом без применения заполняющего металла. Кроме того, поскольку такие вакансии могут возникать на свободных поверхностях керамических или других неметаллических материалов типа пластиков, возможно также соединить сплав серебро/медь/германий с неметаллическими материалами.

Используя описанный выше способ, можно осуществить все виды соединений, такие, как стыковые соединения и соединения внахлестку.

В одном из примеров данного изобретения сплав серебро/медь/германий наносится либо в виде порошка, либо способом гальваники или в виде тонкого покрытия на один из соединяемых элементов. В этом случае сплав серебро/медь/германий в любой форме соединяется в качестве отдельного элемента к каждому из двух соединяемых элементов.

По данному изобретению порошок сплава серебро/медь/германий может быть соединен с другим элементом в качестве средства изготовления покрытия из серебра/меди/германия или гальванического покрытия из этого сплава.

Используя описанный способ, возможно также изготовить многослойный составной материал, образуемый соединением сплава серебро/медь/германий со слоями другого материала, например с другим металлом, керамикой или пластиками, в зависимости от необходимости.

Описанный выше способ можно осуществлять при температурах порядка 500^oC, ликвидируя необходимость использования дорогостоящего автоклава или печей. Соединения (швы) получались при сохранении соединяемых материалов при этой температуре в течение нескольких минут.

В одном из примеров данного изобретения сплав серебро/медь/германий состоит из серебряной составляющей с, по крайней мере, 77% по весу и германиевой составляющей с 0,4-7% по весу, остальное - в основном медь, не считая загрязняющих примесей.

В предпочтительном варианте изобретения сплав серебро/медь/германий содержит серебряную составляющую с, по крайней мере, 92,5% по весу и германиевую составляющую от 0,5 до 3% по весу, остальное приходится на медь, за исключением загрязняющих примесей.

Сплав серебро/медь/германий, который особенно подходит для способа по данному изобретению, но также может применяться при сварке сопротивлением и лазерной сварке, имеет серебряную составляющую с по крайней мере 92,5%, а германиевую от 0,4 до 7%, а остальное - в основном медь, за исключением загрязняющих примесей, причем этот сплав содержит бор для измельчения зерен при концентрации менее 20 ч. на 1 млн. Таким образом, было обнаружено, что очевидно, такая низкая концентрация бора дает прекрасную очистку зерен в сплаве серебро/медь/германий. Разумеется, концентрация менее 10 ч. на 1 млн. и порядка 2 или даже 0,9 ч. на 1 млн. эффективна для этих целей, придавая большую прочность и пластичность сплаву по сравнению со сплавом без содержания бора и позволяя делать прочные и эстетические соединения (швы) способом по данному изобретению или с помощью сварки сопротивлением или лазерной сварки.

Сплав серебро/медь/германий по данному изобретению стойкий к возникновению огненного протравливания и после повторного нагрева (троекратного) до температуры, при которой эвтектика медь/германий в известных сплавах серебро/медь/германий обычно плавится и вызывает точечную коррозию, не было обнаружено точечной коррозии.

Бор в сплаве серебро/германий в соответствии с данным изобретением находится для замедления роста зерен даже при температуре, применяемой для пайки в ювелирном деле.

В другом предпочтительном примере сплав серебро/германий по данному изобретению содержит серебряную составляющую с по крайней мере 80% или 83% по весу.

Формула изобретения

1. Способ соединения элементов, использующий сплав на основе серебра, имеющий медную и германиевую составляющие, и заключающийся в подготовке двух соединяемых элементов, по крайней мере один из которых содержит сплав на основе серебра, имеющий медную и германиевую составляющие, отличающийся тем, что располагают указанные элементы в непосредственной близости один от другого с обеспечением контакта свободной поверхности сплава на основе сере6ра с частью свободной поверхности другого элемента без введения заполняющего материала между этими свободными поверхностями и нагревают эти две свободные поверхности в местах примыкания элементов друг к другу до температуры ниже температуры по линии солидус любого из составляющих материалов соединяемых элементов для соединения этих элементов посредством процесса диффузии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сплав серебро/германий содержит серебряную составляющую в количестве по крайней мере 77% по весу и германиевую составляющую в количестве от 0,4 до 7% по весу, остальное - медь за исключением загрязняющих примесей.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что указанное количество германиевой составляющей находится в диапазоне от 0,5 до 3% по весу.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что оба соединяемых элемента содержат сплав серебро/германий.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что две указанные примыкающие свободные поверхности элементов нагревают до температуры 500^oC.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что элемент, содержащий сплав на основе серебра с медной и германиевой составляющими, выполнен в виде порошка, гальванического покрытия или тонкого покрытия.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что его используют при изготовлении ювелирных изделий, серебряных изделий или электрических или электронных контактов, а также материалов для авиационной промышленности.

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что для создания многослойного изделия накладывают сверху друг на друга множество соединенных вместе элементов.

9. Сплав серебро/германий, содержащий: серебро - по крайней мере 77% по весу, германий - от 0,4 до 7% по весу, бор - в концентрации менее 20 ч. на 1 млн, остальное - медь за исключением загрязняющих примесей.

10. Сплав по п.9, отличающийся тем, что он содержит германий от 0,5 до 3% по весу.

11. Сплав по п.9 или 10, отличающийся тем, что он содержит бор менее 10 ч. на 1 млн.

12. Сплав по п. 11, отличающийся тем, что он содержит бор 0,9 ч. на 1 млн.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 18.11.2009

Извещение опубликовано: 20.09.2010        БИ: 26/2010

---