Припой для пайки меди и ее сплавов и способ его изготовления

 

Использование: пайка изделий из меди и медных сплавов. Сущность изобретения: припой содержит следующие компоненты (мас.%): фосфор 3 - 5; алюминий 0,01 - 0,199; кремний 0,02 - 0,099; медь - остальное. Припой может содержать также олово в количестве 1,5 - 8 мас.% и (или) цинк в количестве 1 - 10 мас. %. Припой изготавливают путем расплавления медно-фосфорной шихты, введения в расплав лигатуры алюминия и кремния и проведения изотермической выдержки при температуре 800 - 900°С в течение 1 - 10 мин. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования при пайке изделий из меди и медных сплавов.

Известен медно-фосфорный припой, содержащий в качестве модификаторов кремний или кремний с серебром [1] К недостаткам этого припоя следует отнести отрицательное влияние кремния на морфологию эвтектической составляющей в структуре припоя. Эвтектика приобретает пластинчатый характер, что вызывает снижение прочности и увеличение хрупкости заготовки припоя и паяных соединений. Использование дефицитного серебра сужает область применения припоя.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является медно-фосфорный припой [2] содеpжащий олово, никель, марганец, фосфор, алюминий, кремний и медь в следующих соотношениях мас. Олово 1,5-8 Никель 0,1-1% Марганец 0,7-1 Фосфор 6 Алюминий 0,2-1 Кремний 0,1-1 Медь Остальное.

Значительное содержание алюминия и кремния в припое и наличие с нем марганца и никеля вызывает образование интерметаллидных фаз в структуре припоя по границам зерен, что обусловливает хрупкость заготовки и паяного соединения. Кроме того, большое содержание алюминия приводит к образованию пленки окиси алюминия в процессе пайки, что затрудняет растекание припоя и заполнение зазора.

Известен способ изготовления медно-фосфорного припоя, включающий расплавление шихты, введение в расплав модификаторов и формование заготовки. В качестве модификатора использован кремний [3] Процесс требует значительного перегрева расплава, что приводит к выгоранию фосфора.

Недостатком известного способа является низкая прочность и пластичность получаемой заготовки и паяного соединения.

Цель повышение прочности и пластичности получаемой заготовки и паяного соединения.

Это достигается тем, что припой, в состав которого входят медь, фосфор, кремний и алюминий, согласно изобретению содержит указанные компоненты в следующих количествах, мас. Фосфор 3-7 Алюминий 0,01-0,199 Кремний 0,02-0,099 Медь Остальное В припой может быть дополнительно введены олово в количестве 1,5-8 мас. и цинк в количестве 1-10 мас.

Кроме того, цель изобретения достигается за счет того, что в способе изготовления медно-фосфорного припоя, включающем расплавление шихты, введение в расплав модификаторов и формование заготовки, введение модификаторов в расплав осуществляют совместно, после чего проводят изотермическую выдержку, а в качестве модификаторов используют алюминий и кремний и количестве 0,05-0,3% от общей массы припоя при соотношении содержания алюминия к кремнию от 0,2 до 0,9. Введение модификаторов в расплав и изотермическую выдержку осуществляют при температуре 800-900^оС. Изотермическую выдержку осуществляют в течение 1-10 мин.

П р и м е р ы. При исследовании характеристик паяных соединений были приготовлены в графитовом тигле индукционной печи расплавы шихт медь-фосфор, медь-фосфор-олово и медь-фосфор-олово-цинк с содержанием фосфора 2-9% олова 1-9% и цинка 1-10% Алюминий и кремний вводили в расплав, имеющий температуру 700-1000^оС в виде сплавленной лигатуры или по отдельности в следующих количествах по отношению к общей массе припоя: алюминий 0,005-0,4% кремний 0,01-0,2% Общая масса алюминия и кремния составляла 0,03-0,4% а отношение содержания алюминия к кремнию варьировалось в диапазоне от 0,1 до 0,95.

После введения в расплав модификаторов (алюминия и кремния) во всех случаях проводили изотермическую выдержку при температуре от 700 до 1000^оС в течение 0,5 мин до 15 мин. После каждой плавки осуществляли контроль химического состава. Образцы припоя для испытаний формовали методом литья в прутки диаметром 3 мм и методом горячего экструдирования через фильеры. Полученные образцы припоя были испытаны на прочность на испытательной машине "Инстрон". Для исследования способности материала к холодной деформации его пропускали на прокатном стане с различной степенью обжатия до появления трещин на образцах. Результаты испытаний приведены в таблице.

Введение в расплав лигатуры алюминия и кремния, суммарное содержание которых лежит в диапазоне от 0,5 до 0,3% от общей массы припоя, оказывает положительное влияние на структуру материала, вызывая измельчение зерен фосфидов и увеличивая равномерность распределения структурных составляющих и фаз по слитку. При содержании алюминия и кремния менее 0,05% цвет материала остается темно-серым. Эрозионная активность по сравнению с прототипом снижается незначительно. Превышение содержания более 0,3% повышает отрицательное воздействие окисной пленки, ухудшает растекаемость припоя по поверхностям спаиваемых изделий из меди и ее сплавов, уменьшает пластичность припоя.

Уменьшение содержания алюминия меньше 0,01% от общей массы припоя приводит к появлению пластинчатой формы фосфидов в литой структуре материала. Добавка алюминия в количестве, большем или равном 0,199% от общей массы припоя, с одной стороны, увеличивает прочность припоя за счет образования дисперсной фазы АlР, а, с другой стороны, способствует образованию оксидной пленки, что в значительной степени ухудшает технологические свойства медно-фосфорных припоев (растекаемость припоя по поверхности, шлакообразование).

Увеличение содержания кремния выше 0,099% вызывает рост температуры плавления материала припоя, снижает его пластичность, способность к деформациям и значение ударной вязкости паяных соединений, а уменьшение его содержания менее 0,02% не оказывает влияния на свойства припоя.

Снижение соотношения массы алюминия к массе кремния менее 0,2 способствует появлению пластинчатой эвтектики в литом материале за счет преобладания влияния кремния. Увеличение этого соотношения больше 0,9 ухудшает технологические свойства припоя (растекаемость), снижает пластичность и ударную вязкость.

Совместное введение модификаторов по сравнению с раздельным обеспечивает равномерное их распределение в расплаве и улучшает кинетику растворения. При этом измельчаются фосфиды в литом материале, эвтектика имеет зернистый характер, без пластинчатых фосфидов, возможно образование включений мелкодисперсно фазы AlP, что делает материал дисперсно упрочненным. Оксиды на поверхности сплава имеют более рыхлый характер. Это предохраняет материал от выгорания фосфора в процессе приготовления и пайки и не ухудшает технологические характеристики припоя. Цвет материала серебристо-розовый и не темнеет при вылеживании. Это расширяет область применения припоя для изделий из мельхиора и нейзильбера, где не наносят гальванические покрытия и не осуществляют оксидирование.

Совместное введение алюминия и кремния увеличивает пластичность припоя за счет активного взаимодействия атомов алюминия с фосфором на границах зерен фосфида сплава, создания более когерентных границ раздела фаз, изменения характера перемещения дислокаций в процессе приложения деформаций и облегчения движения частиц фосфида относительно твердого раствора без образования микротрещин по границам раздела.

Увеличение температуры введения модификаторов и изотерической выдержки выше 900^оС обусловливает выгорание фосфора менее 1% по массе, уменьшение менее 800^оС затрудняет растворение модификаторов и их равномерное распределение в объеме припоя.

Уменьшение времени изотермической выдержки менее 1 мин вызывает неравномерность растворения модификаторов, а увеличение более 10 мин приводит к образованию окисной пленки алюминия и к невозможности точного предсказания состава.

Уменьшение содержания фосфора менее 3% по массе увеличивает температуру плавления припоя и увеличивает интервал температур плавления. Увеличение содержания фосфора более 7% охрупчивает припой.

Увеличение содержания олова более 8% вызывает образование интерметаллидных соединений, а уменьшение менее 1,5% не обеспечивает требуемого снижения температуры плавления припоя.

Введение в припой цинка в количестве мене 1 мас. не оказывает влияния за свойства припоя, а введение в количестве, большем 10 мас. снижает ударную вязкость, увеличивает интервал температур плавления, вызывает появление интерметаллидов.

Изобретение позволяет расширить область применения припоя для изделий из мельхиора и нейзильбера и сократить расходы дефицитного серебра.

Формула изобретения

1. Припой для пайки меди и ее сплавов, содержащий медь, фосфор, алюминий и кремний, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности и пластичности припоя и паяного соединения, он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Фосфор 3 7 Алюминий 0,01 0,199 Кремний 0,02 0,099 Медь Остальное 2. Припой по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит олово в количестве 1,5 8,0 мас.

3. Припой по п.1 и 2, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цинк в количестве 1 10 мас.

4. Способ изготовления припоя для пайки меди и ее сплавов, включающий расплавление медно-фосфорной шихты, введение в расплав модификаторов и формование заготовки, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности и пластичности припоя и паяного соединения, после введения модификаторов в виде лигатуры алюминий кремний осуществляют изотермическую выдержку при 800 900^oС в течение 1 10 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1