Способ соединения материалов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l) Дополнительное к авт. свид-ву

Союз Советскик

Социал исти чески к

Респубики

< н747661 (5l) М. Кл.

В 23 К 28/00

В 23 К 1/00 (22) Заявлено1704.76 (21) 2350713/25-27 и с присоединением заявки Юв

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет (63) УДК621. 791. 89, (088, &) Опубликовано 15.06.80. Бюллетень pk 26

Дата опубликования описания 15.06.80

P2) Авторы А.Г.Мержанов, И.П.Боровинская, A.Ñ.Øòeéíáåðã, ИЗОбрЕтЕНИя О.A.Êî÷åòîâ, В.Б.Улыбин, В.В.Шипилов,B.B.×åðâÿêîâ и С.Н.Макровский

Pl) Заявитель (54) СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

l0

И зобретение отн осится к т ехнологии нераэъемного соединения преимущественно тугоплавких и разнородных материалов. Оно может быть использовано в различных областях техники, где требуется создание работоспособных в условиях высоких температур и вибраций неразъемных соединений материалов тига металл -металл (например, молибден с молибденом, титан с ниобием, нержавеющая сталь с ниобием), материалов типа металл — неметалл (например нержавеющая стачь с графитом) или материалов типа неметалл — неметалл (например графит с графитом).

Известен =пособ соединения тугоплавких и разнородных материалов методом диффузионной сварки, зак- Э) лючающийся в том, что свариваемые материалы соединяют непосредственно или через металлическую прослойку в .вакууме. При этом изделия прогревают до заданой .температуры, после чего 25 ,прикладывают усилие прижатия (0,210кгс/мм ) и выдерживают при заданных параметрах (температура; давление, вакуум) в течение единиц или десятков минут P4j. 30 К недостаткам, присущим диффузионной сварке, относят значительную трудоемкость и большое вспомогательное время (длительность процесса измеряется десятками минут, требуется тщательная подготовка соединяемых поверхностей, наличие вакуума.(10 — 10 мм рт. ст.).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ соединения термоэлектрических элементов, заключающийся в том, что экзотермическую смесь, содержащую один иэ металлов (Ч, Ч, Vl периодов

Периодической системы и один из неметаллов — теллур, селен или серу, вместе с соединяемыми деталями, между которыми помекена названная смесь, подвергают нагреву в печи до 300-570оС в атмосфере водорода при давлении сжатия 0,03 кгс/ьи . При этом в шве происходит синтез сульфидов, теллуридов или селенидов. Температура в зоне шва за счет самораэогрева при реагировании не превышает 600оС.

Наибслее существенными недостатками указанного способа является невозможность соединения тугоплавких материалов, а также низкая производительность, связанная с длительностью

747661 нагревания и особенностями протекания экзотермических реакций в нагревательных печах, а также неработоспособность сварного соединения в а,грессивных средах, так как образуемые в шве интерметаллические соединения не обладают стойкостью к кислотам и щелочам.

11ель изобретения — устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве экзотермиче ской смеси используют смеси металлов IV, V групп Периодической системы с бором или углеродом. Соединяемые детали

Вместе с экзотермической смесью, помещенной в зазоре, подвергают нагреву со скоростью, обеспечивающей самовоспламенение экзотермических смесей при температурах на 50-1000 С выше критической температуры теплового взрыва.

Скорость протекания химической реакции в экзотермических смесях, как правило, выражается экспоненциальной зависимостью. Поэтому для 25 каждой та кой сме си суще ст вует минимальная критическая температура, выше которой тепловыделение существенно превосходит теплоотвод в окружающую среду пуч ем теплопровод- 30 ности, и синтез тугоплавкого соединения из элементов (металл — неметалл) протекает в режиме теплового взрыва. Критическая температура теплового взрыва является константой, характеризующей каждую экзотермическую смесь и зависит от ояда причин: от размера частиц, соотношения исходных компонентов, наличия примесей и т.д.

Нагревание в печах экзотермических смесей проводит ся при темпер атурах ниже критической температуры теплового нзрыва, часть выделившегося тепла отводится в окружающую среду, и химическая реакция при печном нагреве caïðoâàæäàåòñÿ плавным, сравнительно небольшим саморазогревом, Поэтому необходимым условием i1o лучения максимального саморазогрева gg при и спольз овании э кз отемиче ских смесей является проведение реакции при температурах, по крайней мере, не ниже критической температуры теплового взрыва. Качественное соединение тугоплавких и разнородных материалов можно осуществить только, если в зоне шва синтезированное тугоплавкое соединение будет в жидком состоянии, т.е. начальная температура исходной смеси в сумме с темпера-40 турой саморазогрева, вследствие теплового эффекта реакции синтеза должны быть не ниже температуры ллавления синтезированного в зоне шва тугоплавкого соединения. 65

Синтез тугопланких соединений из металлов IV u V групп Периодической системы с бором или углеродом при температурах, близких к критическим температурам самовоспламенения, ггротекает в твердой фазе. Поэтому для получения плавленных карбидов или боридов металлов IV u групп Периодической системы необходимо нагрев исходной шихты вести со скоростью, обеспечивающей самовоспламенение ее при температурах на 50-1000 С выше критической температуры теплового взрыва, т . е . скорость нагрева исходной шихты должна существенно превышать скорость тепловыделения при температурах близких к критической. Исходная начальная температура и скорость нагрева в каждом конкретном случае рассчитывается или подбирается эксперимен— тальным путем с учетом особенностей исходной экзотермической смеси и соединяемых материалов.

Прелагаемый способ осуществлен в случае нагрева соединяемых материалон и помещаемой между ними экзотермической смеси пропусканием через них электрического тока от сварочного трансформатора. Пример. Сварка нержа еющей стали с ниобием.

Проводят соединение цилиндрических образцов из нержавеющей стали и из ниобия с площадью контакта в месте соединения 60мм, высотой об7. разцов по 20 мм, 1".ежду предварительно обезжиренными поверхностями помещают гетерогенную смесь в виде слоя толщиной О, 1-0, 5 мм, состоящую из порошкообразных ниобия и углерода в стехиометрическом отношении. Противоположные концы образцов вводят в контакт с теплопроводящими блоками, выполненными один из графит а, другой из меди, для устранения послесварочных деформаций и создания необходимого градиента температур .

Причем более -.óгоплавкий графитовый блок вводят в контакт с ниобием.

Графитовый блок вводят в контакт с ниобием,а медный-с кержавеющей сталью. К торцам блоков подводят электроды от сварочного трансформатора и полученную сборку сжимают усилием 10-30 кг до получения электрического контакта. Описанную сборку в защитной атмосфере аргона нагревают пропусканием электрического тока от сварочного трансформатора. При этом поток мощности через место контакта деталей составляет 100-300вт/мм, Ток 500-700 A подают 6-8 с. За это время экзотермическая смесь и прилегающие к ней поверхности ниобня и стали прогреваются до начальной температуры порядка 900 С, после чего смесь практически мгновенно саморазогревается вследствие возниккове747661 ния теплового взрыва, обусловленного самоускоряюшейся химической реакцией образования. карбида ниобия. Саморазогрев сопровождается ярким белым свечением с температурой, превышающей 2400 С (температура плавления ни- 5 о обия) . Критическая температура смеси ниобия с углеродом в зависимости от, размера частиц и соотношения компонентов 600-670 С.

Вследствие высокой начальной температуры и тепла, выделяющегося при синтезе карбида ниобия, последний расплавляется и частично выдавливается из зазора в виде небольших капель

35 Теплопроводящие элементы медь с графитом

Ниобий-нер- Ниобий- 700 6-8 900 850 жавеющая углерод сталь

800 436-484

9,5 Работоспособность при

2000оС

480 15

Графит-rpa- Титан+ фит углерод

Графит-нер- Титан+ жавеющая углерод сталь

650 18-20 900 436-484 9,5

Теплопроводящие элементы медь с графитом

Графит-нер- Ниобий+ жавеющая углерод 650 14-16 900 850 сталь

9,5 Работоспособность при 1500 С

680 12 900 436-484 9,5

Титан+ у глерод

Графит.— сталь 45

800 30 1500 436-484 17

Теплопроводящие элементы медь с графитом

Молибден+ нержавеющая сталь

Титан+ углерод

650 200 1000 436-484 45

Титан+ углерод

Нержав еющая стальнержавеющая сталь

750 28 1400 600-670 32 Работоспособность при

1200ос

Вольфрамнержавеющая сталь

Бор+ цирконий

Соотношение компонентов экзотермического состава 50-50% (ат) . разъемное соединение тугоплавких и разнородных материалов осуществляет65 ся эа счет как тепловыделения от внеВ отличие от известных способов сварки с применением экзотермической смеси в предлагаемом способе не диаметром 0,5 мм. Поверхности свариваемых деталей, прилегающие к реакционной экзотермической смеси, частично подплавляются. Вследствие этого, оставшийся в зазоре жидкий карбид ° ниобия образовывает прочное соединение свариваемях торцов металлических цилиндров. Шов работоспособен при температуре до l200 С; По аналогии с описанным в примере получены другие соединения с площадью контакта в месте соединения 60 мч .

Результаты испытаний на разрыв приведены в таблице.

747661

Составитель И.Вавуло

Редактор С.Патрушева ТехредМ.Петко Корректор Ю.Макаренко

Заказ 4308/5 Тираж 1160 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д; 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул . Проектная, 4 шнего источника, например джоулевого тепла, выделяющегося в зоне шва при пропускании электрического тока, так и за счет тепловложения энергии, выделившийся при экзотермической реакции взаимодействия смеси в режиме теплового взрыва. В результате в зоне соединения имеет место синтез высокотемпературных соединений, таких как бориды переходных металлов, Благодаря этому удается осуществить coe- o динение тугоплавких материалов.

Соединения по предлагаемому способу содержать карбиды, бориды или кар" бобориды и в отличие от интерметаллйдов работоспособны при высоких температурах (1000-2000оС) и обладают высокой химической стойкостью к действию кислот и щелочей.

Высокая экономическая эффективность предложенного способа обусловлена малыми временами технологическо- 2О го цикла, использованием стандартных сВарочных трансформаторов, простотой обслуживания, недефицитностью исходных компонентов экзотермических смесей. 25

Формула изобретения

Способ соединения материалов с размещением в зазоре экзотермической смеси, содержащей металлы Ю / групп Периодической системы и неметалл, и нагревом ее, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения производительности при соединении тугоплавких материалов, в качестве неметалла смеси используют бор или углерод, а нагрев экзотермической . смеси проводят со скорост ью, обеспечивающей ее самовоспламенение и расплавление образующегося в процессе синтеза тугоплавкого соединения при температуре выше критической температуры теплового взрыва смеси.

2; Способ о п.1, о т л и ч а юшийся тем, что нагрев осуществляют преимущественно пропусканием электрического тока.

3. Способ по пп. 1 и 2,о т л и ч аю шийся тем, что с целью соединения разнородных материалов, используют теплопроводящие блоки с различной теплопроводностью например графит, медь.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка в вакууме.М., Машиностроение, 196 8.

2, Патент США 9 3 80 8670, кл . 29473, 1, опубл. 1974 (прототип) .

Способ соединения материалов Способ соединения материалов Способ соединения материалов Способ соединения материалов 

 

Похожие патенты:
Наверх