Реактивний флюс для паяння алюмінію та його сплавів

Реферат: Винахід належить до паяльних матеріалів, зокрема флюсів. Заявлено реактивний флюс для паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів без присаджування припою з використанням розподільчого середовища з фторалюмінатів калію і фторидних активаторів. Як розподільче середовище використана легкоплавка суміш фторалюмінатів калію, а як активатори гексафторсилікат калію і фторид алюмінію в наступних межах мас. %: гексафторсилікат калію 1,0-50, фторид алюмінію 0,05-20, легкоплавка суміш з фторалюмінатів калію - решта. Технічний результат: створення флюсу, який утворює припій на поверхні алюмінію в процесі паяння виробу в результаті алюмотермічної реакції. UA 103963 C2 (12) UA 103963 C2 UA 103963 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до паяльних матеріалів, зокрема до складу реактивного флюсу для високотемпературного паяння алюмінію та його сплавів з малим вмістом магнію без присаджування припою в будь якому вигляді (покриття, дріт, порошок, пари металу та інше) і може бути використаний в різних галузях промислового виробництва виробів з алюмінію та його сплавів. 4 Відомий флюс (Pat. 4906307 US, Int. С1. В23K 35/34. FLUX USED FOR BRAZING ALUMINUM-BASED ALLOY/Tatuya Fujiyoshi (Japan), Filed:Sep. 20,1988, Date of Patent: Mar. 6, 1990), що містить (мас. частка, %): гексафторсилікат калію - 90…70, фторид алюмінію - 10…30. Недоліком даного флюсу є недостатня кількість утвореного алюмінієво-кремнієвого сплаву для формування паяного з'єднання, тому при паянні алюмінієвих сплавів припій попередньо наносять в вигляді тонкого шару принаймні на одну із деталей. 6 Відомий флюс (Pat. 5785770 US, Int. С1. В23K 35/00. BRAZING FLUX/ Dayal Т. Meshri; Sanjay D. Meshri; Dinshaw B. (USA), Filed: May 30,1996, Date of Patent: Jul. 28, 1998) для паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів без присаджування припою, що містить (мас. частка, %): фторсилікатами металів з формулою M2SiF6 чи MM’2SiF6, де (М - цезій, калій, літій, рубідій та амоній NFL;) - 0,1…20 як добавку до фторалюмінату KAIF4. Техніка паяння таким флюсом алюмінієвих сплавів є складна, так як утворення припою на поверхні алюмінію в обмеженому інтервалі температури ускладнюється одночасним проходженням кількох реакцій процесу алюмотермічного відновлення кремнію з гексафторсилікатів металів першої групи різних за хімічною активністю і термічною стійкістю. Окрім цього, можливе виділення SiF4 в газову фазу, що призводить до виникнення неспаїв при формуванні різних типів з'єднань з вузькими капілярними зазорами. 7 Як прототип вибраний флюс (Pat. 6019856, Int. С1. В23K 35/00, SOLDERLESS ALUMINUM BRAZING/ Thomas Born, Holle; Heinz-Joachim Belt, Burgwedel, both of (Germany), Filed: Oct. 29, 1997, Date of Patent: Feb. 1, 2000) для паяння алюмінієвих сплавів з малим вмістом магнію без присаджування припою, що містить в (мас. частка, %): гексафторсилікат калію - 6…50 як добавку до суміші з фторалюмінатів калію, таких як KAIF4, K3AIF6 та K2AlF5·H2O. Паяння цим флюсом алюмінієвих сплавів без присаджування припою в інтервалі температур 580…605 °С, який визначений в патенті як оптимальний, не є достатньо результативним, так як при формуванні паяного з'єднання утворюється менша від можливого кількість алюмінієво-кремнієвого сплаву - припою в результаті незавершення процесу відновлення кремнію з гексафторсилікату калію на поверхні алюмінію. Основним недоліком вищезгаданих патентів є складний і не оптимізований процес високотемпературного паяння без присаджування припою, в якому складом флюсу і температурно-часовими умовами проходження алюмотермічного процесу відновлення кремнію з гексафторсилікату калію визначаються об'єм утвореного алюмінієво-кремнієвого припою і якість формування з'єднань з алюмінію та його сплавів. В основу винаходу поставлена задача створити реактивний флюс для паяння алюмінію і його сплавів з малим вмістом магнію (до 0,5 мас. частки, %) без присаджування припою, який забезпечує максимальний об'єм утвореного рідкого припою та якісне формування всіх типів паяних з'єднань в широкому температурному інтервалі. В винаході поставлена задача вирішується тим, що реактивний флюс з фторалюмінатів калію, який містить фторидні активатори, включає компоненти в наступних межах (мас. частка, %): гексафторсилікат калію - 1,0…50, фторид алюмінію - 0,05…20, легкоплавка суміш з фторалюмінатів калію - решта. Флюс, що пропонується являє собою суміш з гексафторсилікату калію, фториду алюмінію та легкоплавкої суміші з фторалюмінатів калію доведену механічним змішуванням до рівномірного розподілення частинок компонентів в усьому об'ємі дисперсного середовища. Легкоплавка суміш з фторалюмінатів калію вміщує тетрафторалюмінат калію (KAIF4), як основу, з невеликою кількістю гексафторалюмінату калію (K3AIF6) в масовому співвідношенні, близькому до складу евтектики Е2 (Rong Chen, Genhua Wu, and Qiyun Zhang. Phase Diagram of the System KF-AIF3 Journal of The American Ceramic Society, Vol. 83, Issue 12, (2000), pp. 31963198) і має температуру плавлення 558. …575 °C. Синтез фторидних компонентів флюсу здійснювався в реакторі з хімічно малоактивного матеріалу - політерафторетилену (фторопласту - 4), розчиненням оксиду кремнію і гідроксидів алюмінію та калію в фтористоводневій кислоті взятих в масових кількостях, рівних відношенням коефіцієнтів в стехіометричних рівняннях хімічних реакцій. Процес синтезу складових флюсу визначають завершені процеси основних хімічних реакцій 2-6: 4HF + Аl(ОН)3=HAlF4+3Н2О (2) HAlF4 + KОН = KAlF4 + Н2О (3) 1 UA 103963 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 3HF + Аl(ОН)3=AlF3+3Н2О (4) 6HF+SiO2=H2SiF6+2H2O (5) H2SiF6+2KOH=K2SiF6+2H2O (6) Виділений малорозчинний осадок фільтрували і висушували при температурі 150…160 °C до постійної маси. Індивідуальність синтезованих сполук доведена хімічним і рентгенофазовим аналізом. Паяння заявленим в винаході реактивним флюсом алюмінію без присаджування припою відбувається в температурному інтервалі 580-620 °C внаслідок проходження алюмотермічного процесу (1) - відновлення кремнію з гексафторсилікату калію алюмінієм на контактній границі з сольового розплавом, утворення на поверхні, що паяють, шару рідкого алюмінієво-кремнієвого сплаву - припою, який заповнює капілярний зазор і, таким чином, формує з'єднання. 3(SiF)зв’яз. + 4Al=3Si (1), де (SiF)зв’яз. - вказує на стан, в якому перебуває кремній до його відновлення. Вміст сукупної добавки гексафторсилікату калію і фториду алюмінію в складі легкоплавкої визначає температуру плавлення суміші сольової системи K, Al, Si/F від початку проходження процесу (1) і до формування утвореним припоєм паяного з'єднання. Загальна сольова система KF-AlF3-SiF4 представлена на Фіг. 1 складом компонентів визначеним в еквівалентних процентах. Результати дослідження (А. А. Андрійко, Е. В. Панов, Б. В. Яковлев, В. Ф. Хорунов, О. М. Сабадаш, Плавкість і хімічна взаємодія в сольовій системі K, Al, Si/F // Украинский химический журнал, т. 63, № 10, 1997, стр. 121-124) вказують на високотемпературну область обмежену трикутником KF-K3SiF6-K3AlF6 зі стійким складом і дві області з нестійким складом в яких можливим є виділення фториду кремнію в газову фазу. Область обмежена чотирикутником K3AlF6-K3SiF6-K2SiF6-AlF3, в якій потенційно можливим є утворення сольової суміші з температурою плавлення менше 580 °С, придатна для паяння алюмінію реактивним флюсом без присаджування припою. При проходженні процесу (1) в області обмеженій чотирикутником K3AlF6-K3SiF6-K2SiF6-AlF3 реальний склад флюсу буде зміщуватись по лінії, паралельній стороні SiF4-AIF3 за відсутності виділення SiF4 в газове середовище. Граничні прямі Е2А та Е3В відповідають такій зміні складу флюсу на міжфазній границі "сольовий розплав-твердий алюміній" та показують, що кінцевим продуктом будуть легкоплавкі евтектики Е2 та Е3 (Фіг. 1). З іншої сторони, якщо врахувати здійсниме виділення SiF4 із зони реакції, то може утворюватися склад флюсу, який зовсім не має рідкої фази, що припиняє проходження процесу (1) та формування паяного з'єднання. Тому добавка гексафторфторсилікату калію (K2SiF6) в евтектичну легкоплавку сольову суміш з фторалюмінатів калію не є оптимальною, так як при паянні алюмінієвих сплавів без присаджування припою проходження процесу (1) повністю не завершується бо утворюються продукти реакції, що швидко тверднуть. Це необхідно враховувати при визначенні складу флюсу для паяння алюмінієвих сплавів при температурах близьких до 600 °C Оптимальною для паяння реактивним флюсом алюмінію без присаджування припою є сумісна добавка гексафторфторсилікату калію та фториду алюмінію в сольову легкоплавку суміш з фторалюмінатів калію, яка сприяє повному проходженню процесу (1) та в відповідних межах її вмісту не викликає значного підвищення температури ліквідусу сольового розплаву. Найбільше придатна для визначення легкоплавкого складу реактивного флюсу для паяння алюмінію без присаджування припою є область, обмежена чотирикутником E2A-K3SiF6-K2SiF6Е3В (див. Фіг. 1). Заявлений склад флюсу при паянні алюмінію без присаджування припою дає можливість утворювати максимальну кількість рідкого алюмінієво-кремнієвого сплаву для формування з'єднання та оптимізувати процес відновлення кремнію у всіх точках на контактних границях сольового розплаву з алюмінієм, включно, і в обмеженому просторі капілярного зазору. Вплив вмісту компонентів на технологічні властивості заявленого реактивного флюсу визначали при паянні без присаджування припою зразка в вигляді циліндричного кільця 1, виготовленого з алюмінієвої стрічкипоперечним перерізом 12 × 1 мм, на зовнішній поверхні якого розміщені два витки дроту 2 діаметром 1±0,01 мм з того ж матеріалу та нанесено наважку флюсу 3 (Фіг. 2). Критерієм якісного паяння алюмінію реактивним флюсом без присаджування припою є реальна довжина (Lпз) паяного з'єднання між дротом і стрічкою. Хімічне очищення алюмінієвих деталей проводили в водяних розчинах лугу (15 % NaOH знежирення) та кислот (2 об. % HF і 20 об. % HNO3 - травлення). 2 UA 103963 C2 5 10 При складанні алюмінієвого зразка між дротом(ми) та зовнішньою циліндричною поверхнею кільця створювали постійний (з нульовим зазором) фізичний контакт на відрізку довжиною не менше 130 мм за допомогою механічного затискача 4 (Фіг. 2). Вага флюсу в наважці становила 0,01 г. Водяний розчин з 1 об. % гліцерину і 99 об. % дистильованої води використовували як побічну речовину для компактного нанесення наважки флюсу. Видалення вологи з наважки флюсу здійснювали при сублімаційному висушуванні при температурі 200…260 °C. Паяння реактивним флюсом алюмінієвого зразка без додаткового використання припою проводили на горизонтальній підкладці в атмосфері захисного газу - азоту з точкою роси – 40 °C з витримкою 60 с при визначеній температурі, наприклад, температурі 600…605 °С. Реальна швидкість нагрівання алюмінієвого зразка від початку плавлення флюсу до досягнення мінімальної температури паяння становила 3…5 °C/с. РЕАКТИВНИЙ ФЛЮС ДЛЯ ПАЯННЯ АЛЮМІНІЮ ТА ЙОГО СПЛАВІВ 15 Таблиця Хімічний склад і технологічні властивості реактивних флюсів Номер флюсу 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 K2SiF6 1 5 10 20 30 40 50 Склад флюсу, мас. частка % AlF3 Суміш фторалюмінатів калію 0 99 0,05 98,95 0,25 98,75 0 95 0,6 94,74 0 90 2,0 88 0 80 2,2 77,8 4,1 76,9 0 70 6,1 63,9 7,5 62,5 20 50 0 60 4,4 55,6 0 50 20 30 Lпз, * мм 23,5 43,5 50,5 37,5 107 68 111 98 120 110 64 108 102,5 93,5 23,5 41 11,5 17,0 Δ Lпз, ** % прототип 45 53,5 прототип 65 прототип 63 прототип 22 12 прототип 69 60 46 прототип 75 прототип 49 Примітка. *Lпз - довжина паяного з'єднання, (мм) після паяння при температурі Тп = 600-605 °C **ΔLпз = 100 (Lпз - Lпз прототипа) /Lпз прототипа - відносне збільшення довжина паяного з'єднання порівняно з прототипом, (%). 20 25 Довжину паяного з'єднання (Lпз) окремого дроту зі стрічкою визначали на попередньо розігнутій та приведеній до плаского стану стрічці. (Фіг. 3). Для кожного складу флюсу по одержаних результатах шести зразків, виготовлених при однаковій температурі, вираховують середнє значення довжини паяного з'єднання і округляють це значення до 0,5 мм. Межі вмісту компонентів флюсу, вибрані за результатами випробувань, приведені в таблиці. Згідно з результатами, сумісна добавка гексафторсилікату калію та фториду алюмінію в сольову легкоплавку суміш з фторалюмінатів калію є оптимальною для якісного паяння алюмінію без присаджування припою при температурі 600-605 °C. При однаковому вмісті гексафторсилікату калію в складі флюсу добавка фториду алюмінію в межах співвідношення K2SiF6/AlF3=20/1-1,5/1 призводить до утворення максимальної кількості припою в процесі паяння алюмінію. Тому витрати реактивного флюсу на одиницю довжини паяного з'єднання значно менші порівняно з прототипом. 3 UA 103963 C2 5 10 Додатковою перевагою реактивного флюсу є його висока рідинотекучість, що дає можливість здійснювати паяння без присаджування припою тонкої алюмінієвої фольги та насувних з'єднань алюмінію з вузьким капілярним зазором. Опис креслення. На Фіг. 1 зображена загальна сольова система KF-AIF3-SiF4,представлена складом компонентів, визначеним в еквівалентних процентах. На Фіг. 2 зображено загальний вид зразка до паяння в вигляді циліндричного кільця 1, виготовленого з алюмінієвої стрічки поперечним перерізом 12 × 1 мм, на зовнішній поверхні якого розміщені за допомогою механічного затискача 4 два витки дроту 2 діаметром 1±0,01 мм з того ж матеріалу та нанесено наважку флюсу 3. На Фіг. 3 зображено загальний вид зразка після паяння з розігнутої та приведеної до плаского стану стрічки при визначенні реальної довжини паяного з'єднання - Lпз. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 1. Реактивний флюс для паяння алюмінію та алюмінієвих сплавів без присаджування припою з використанням розподільчого середовища з фторалюмінатів калію і фторидних активаторів, який відрізняється тим, що як розподільче середовище використана легкоплавка суміш фторалюмінатів калію, а як активатори гексафторсилікат калію і фторид алюмінію, а склад компонентів флюсу вибраний в наступних межах мас. %: гексафторсилікат калію 1,0-50, фторид алюмінію 0,05-20, легкоплавка суміш з фторалюмінатів калію - решта. 2. Реактивний флюс за п. 1, який відрізняється тим, що легкоплавка суміш фторалюмінатів калію KAIF4 і K3Аl6 відповідає складу легкоплавкої евтектики чи близька до цього складу і має температуру плавлення 558-575 °С. 3. Реактивний флюс за п. 1, який відрізняється тим, що оптимальне масове співвідношення гексафторсилікату калію до фториду алюмінію знаходиться в межах від 20:1 до 1,5:1. 4. Реактивний флюс за п. 1, який відрізняється тим, що активатори використано в складі легкоплавкої суміші з фторалюмінатів калію, що вміщує їх у вигляді дисперсних часток, рівномірно розподілених по всьому об'єму цієї суміші. 4 UA 103963 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5