Способ низкотемпературной конструкционной пайки прецизионных изделий из никелевых сплавов

 

Изобретение может быть использовано в электротехнической промышленности и приборостроении при изготовлении прецизионных изделий. Паяемую поверхность предварительно обрабатывают при температуре 85-95^oС в течение 5-10 с в смеси следующего состава: уксусная кислота 700 мл, азотная кислота 300 мл, соляная кислота 5-7 мл. Затем проводят лужение и пайку с подогревом при 100-120^oС. Изобретение позволяет повысить качество паяного соединения за счет улучшения смачиваемости плоских поверхностей со сложным профилем с одновременным сохранением точных размеров изделия.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в электротехнической промышленности и в приборостроении.

Известен способ пайки сталей в газовой среде [1], принятый в качестве аналога.

Согласно известному способу, для получения качественного паяного соединения при пайке стальных деталей и улучшения смачиваемости поверхности стальных деталей удаление окислов и карбидов осуществляли с помощью изменения концентрации углерода в поверхностном слое. Для чего на протяжении цикла пайки последовательно изменяли состав газовой среды: при нагреве до температуры закалки - науглероживающая среда, при пайке - обезуглероживающая, при охлаждении - науглероживающая.

Основной недостаток аналога состоит в том, что удаление пленок, влияющих на смачиваемость поверхностей стальных деталей, проводят при высоких температурах. Для прецизионных изделий с окончательно изготовленными размерами высокотемпературный нагрев приводит к деформациям и недопустимому изменению размеров конструкции.

Известен способ низкотемпературной пайки (оловянно-свинцовыми припоями) паяльником коррозионностойких сталей [2], принятый в качестве прототипа.

Согласно прототипу паяемую поверхность подвергают предварительной химической обработке в растворе соляной кислоты и (или) активным флюсом (состав флюса: раствор хлористого цинка с добавками неорганических кислот или их солей), лудят паяльником, промывают, а затем паяют с использованием канифольно-спиртовых флюсов.

Основной недостаток прототипа состоит в низком качестве паяного соединения, полученного при пайке прецизионных изделий из никелевых сплавов и, в частности, изделий сложной конструкции, характеризующихся наличием отверстий с разными диаметрами на входе и выходе отверстия, (для впаивания металлостеклянных гермовыводов). Это обусловлено тем, что окисная пленка, образовавшаяся на поверхности изделия в результате предшествующих технологических операций, в частности в результате термической обработки на магнитные свойства, не удаляется полностью при обработке в растворе соляной кислоты и (или) активным флюсо м и при облуживании и пайке припой не смачивает поверхности отверстий и не растекается по паяемой поверхности.

Основная задача предлагаемого изобретения заключается в повышении качества паяного соединения при низкотемпературной конструкционной пайке прецизионных изделий из никелевых сплавов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение смачиваемости плоских поверхностей и поверхностей со сложным профилем с одновременным сохранением точных размеров изделия.

Указанный результат достигается тем, что в способе низкотемпературной конструкционной пайки прецизионных изделий из никелевых сплавов, включающем обработку в химическом растворе, лужение и пайку, паяемую поверхность обрабатывают в кислотной смеси следующего состава: уксусная кислота ~700 мл, азотная кислота ~300 мл, соляная кислота ~5÷7 мл при температуре t=85÷95^oС в течение τ~5÷10 секунд, а лужение и пайку ведут с подогревом при температуре Т=100÷120^oС.

Способ осуществляют следующим образом.

Для удаления окисных пленок (предположительно состава NiO, МоО₂), образовавшихся после термической обработки на магнитные свойства, изделие из никелевого сплава с окончательно изготовленными размерами (в дальнейшем - корпус), обезжиривали спиртобензиновой смесью и помещали на ~5÷10 секунд в предварительно нагретую до температуры t=85÷95^oС ванну с кислотной смесью. Состав кислотной смеси: уксусная кислота ~700 мл, азотная кислота ~300 мл, соляная кислота ~5÷7 мл. В процессе выдержки происходило растворение окисных пленок на поверхности корпуса. Состав и соотношение кислот в смеси, температуру нагрева ванны с кислотной смесью и время выдержки в ней подбирали таким образом, чтобы при удалении окисных пленок сохранить в пределах допуска точные размеры и светло-серый цвет корпуса. Экспериментально установлено, что при выбранном составе кислотной смеси повышение температуры смеси и увеличение продолжительности химической обработки приводит к растравливанию поверхности с недопустимым изменением цвета поверхности и размеров корпуса. Наоборот, при снижении температуры кислотной смеси и уменьшении продолжительности химической обработки окисная пленка в отверстиях полностью не удалялась и при облуживании и пайке припой не смачивал поверхность, собираясь в шарики. В свою очередь, изменение состава кислотной смеси меняет активность процесса: усиливает или ослабляет растравливание поверхности корпуса.

В результате экспериментов по химической обработке образцов, имитирующих конструкцию корпуса с отверстиями сложного профиля, подобран состав кислотной смеси, сбалансированный с температурой подогрева смеси и продолжительностью обработки и позволяющий удалять окисные пленки, образовавшиеся в процессе термообработки корпуса на магнитные свойства. При этом окисные пленки удаляются как с плоской внешней поверхности корпуса, так и с внутренних цилиндрических поверхностей отверстий, включая радиусы перехода с одного диаметра на другой. Важным обстоятельством при этом является сохранение в пределах допусков размеров корпуса, а также производительность процесса химической обработки. Установлено, что после химической обработки значительно улучшается смачиваемость, в результате чего наблюдается повышенная растекаемость припоя как на плоской поверхности, так и на поверхности со сложным профилем внутри отверстий. При этом в процессе лужения за счет градиента сил поверхностного натяжения, обусловленного действием температурного градиента, происходило интенсивное перемещение жидкого припоя с образованием излишков в виде наплывов на поверхности в месте касания паяльником. Наплывы увеличивались при пайке за счет термокапиллярного эффекта в зазоре (величина которого составляла 0,08÷0,2 мм) между поверхностью корпуса и гермовыводом. При этом со стороны, противоположной нагреву, возникали непропаи, свищи и поры.

Поэтому лужение и пайку проводили с подогревов корпуса. Для чего корпус устанавливали на сборочное приспособление, включали подогрев и, применяя флюс ФЦА, проводили облуживание и пайку припоем ПОС-61 с использованием паяльника. Подогрев корпуса при лужении и пайке позволял снизить температурный градиент и уменьшить влияние сил поверхностного натяжения на процесс перемещения жидкого припоя в процессе облуживания и при пайке. Экспериментально было установлено, что оптимальным является диапазон температур Т= 100÷120^oС. В этом диапазоне температур для припоя ПОС-61 и профиля отверстий с общей глубиной до ~3 мм и температурой жала паяльника 280^oС не наблюдалось образования наплывов на внешней поверхности корпуса и отсутствовали свищи и поры с нижней (по отношению к паяльнику) стороны корпуса. В зазоре между поверхностью отверстия и поверхностью гермовывода формировалась галтель, характерная для качественной пайки. Облуживание и пайка без подогрева или с подогревом менее ~ 100^oС приводило к тому, что отверстия со стороны нижней (по отношению к паяльнику) плоскости корпуса полностью не облуживались, а при пайке припой поднимался вверх по зазору, приводя к образованию непропаев, свищей и пор. С другой стороны, увеличение температуры подогрева свыше ~ 120^oС приводило к тому, что припой чрезмерно растекался по внешней поверхности корпуса, что затрудняло сборку корпуса и ухудшало внешний вид при удалении с поверхности излишков припоя.

Пример выполнения способа.

Выполняли пайку металлостеклянных гермовыводов в отверстия корпуса из сплава 79 НМ (80 НМ). Отверстия имели сложный профиль из-за различия в диаметрах на входе и выходе отверстия. Входящие корпус и гермовыводы обезжиривали спиртобензиновым раствором. Затем корпус помещали в предварительно нагретую до t=85÷95^oС ванну с кислотной смесью состава: уксусная кислота ~ 700 мл, азотная кислота ~300 мл, соляная кислота ~5÷7 мл. Выдерживали ~5÷10 секунд и вынимали из ванны. Промывали в дистилированной воде, сушили. Просушенный корпус устанавливали в приспособление для лужения и пайки. Включали подогрев и нагревали до Т=100÷120^oС. Паяемые поверхности флюсовали флюсом ФЦА. С помощью паяльника облуживали припоем ПОС-61 поверхность отверстий в корпусе. После чего в отверстия устанавливали гермовывода и, нагревая паяльником, выполняли пайку припоем ПОС-61.

Визуальный контроль под микроскопом (МБС-9, при увеличении 16) качества облуживания, а также проверка паяных соединений на герметичность (гелиевый течеискатель ПТИ-10) свидетельствовали о качественной, герметичной пайке. При проверке точных размеров установлено, что они находятся в пределах допусков.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить качественное паяное соединение прецизионных изделий из никелевых сплавов за счет улучшения смачиваемости паяемых поверхностей. Одновременно сохраняются точные размеры паяемых изделий. Кроме того, опыт показывает, что в процессе хранения в течение 6-ти суток не происходит ухудшения смачиваемости подготовленных поверхностей и изделия могут быть использованы для пайки без дополнительной обработки.

Источники информации 1. Авторское свидетельство 1489929, B 23 K 1/00, БИ 24, 1989 г.

2. Справочник по пайке./Под. Ред. И.Е. Петрунина. М.: Машиностроение, 1984 г., 400 с., с.236-237.

Формула изобретения

Способ низкотемпературной конструкционной пайки прецизионных изделий из никелевых сплавов, отличающийся тем, что паяемую поверхность предварительно обрабатывают в кислотной смеси следующего состава, мл: Уксусная кислота - 700 Азотная кислота - 300 Соляная кислота - 5-7 при температуре 85-95^oС в течение 5-10 с, а затем проводят лужение и пайку с подогревом при 100-120^oС.