PL B1. Sposób lutowania beztopnikowego miedzi ze stalami lutami twardymi zawierającymi fosfor. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. B23K 1/20 ( ) B23K 1/00 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób lutowania beztopnikowego miedzi ze stalami lutami twardymi zawierającymi fosfor (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 14/10 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/14 (72) Twórca(y) wynalazku: ZBIGNIEW MIRSKI, Wrocław, PL KAZIMIERZ GRANAT, Oborniki Śląskie, PL ALICJA PRASAŁEK, Wrocław, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Regina Kozłowska

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób lutowania beztopnikowego miedzi ze stalami, lutami twardymi zawierającymi fosfor, przeznaczonego w szczególności do wytwarzania połączeń w układach chłodniczych, a także w budowie uzwojeń stojanów generatorów dużej mocy. Sposób tworzenia połączenia między miedzią i stalą nierdzewną lub stopami miedzi, a stalą austenityczną, znany jest z polskiego opisu patentowego nr PL Sposób ten polega na tym, że na powierzchni lub naprzeciwko powierzchni złączeniowej elementu stalowego tworzy się pierwszą warstwę pośrednią, zapobiegającą utracie niklu z elementu stalowego i przynajmniej drugą warstwę pośrednią na powierzchni lub naprzeciwko powierzchni złączeniowej elementu miedzianego w celu uaktywnienia tworzenia się połączenia dyfuzyjnego. Pomiędzy pierwszą warstwą pośrednią, a elementem miedzianym tworzy się trzecią warstwę pośrednią, składającą się głównie ze srebra lub ze srebra i miedzi, w postaci stopu albo w postaci mieszaniny. Sposobem tym połączono wzajemnie stal kwasoodporną z miedzią. Na powierzchni stali umieszczono warstwę niklu o grubości 7 μm. W charakterze aktywatora dyfuzji i środka lutowniczego wykorzystano lut typu Ag+Cu o składzie eutektycznym, zawierający wagowo 71% Ag oraz 29% Cu. Środek lutowniczy miał postać folii o grubości 50 μm. Powierzchnię folii pokryto warstwą cyny o grubości rzędu 5-10 μm. Łączone razem elementy umieszczono naprzeciwko siebie, a obszar połączenia podgrzewano przez 10 minut w temperaturze około 800 C. Znany ze stosowania sposób łączenia miedzi ze stalą Cr-Ni polega na tym, że używa się lutu srebrnego o składzie wagowym: 5% P, 15% Ag, reszta Cu, bez użycia topnika, którego temperatura topnienia wynosi C. Lutowanie bezpośrednie miedzi i jej stopów z dowolnymi stalami, jak również stali oraz niklu i jego stopów za pomocą lutów zawierających fosfor, prowadzi do kruchości połączenia lutowanego. Obecnie nie używa się lutów twardych zawierających fosfor do lutowania dowolnych stali z uwagi na tworzenie się kruchych faz międzymetalicznych typu Fe 2 P i Ni 2 P. Do lutowania miedzi ze stalami, niemożliwe jest też stosowanie lutu na osnowie Cu-P z dodatkami cyny i/lub srebra i/lub niklu, ze względu na trudności ze zwilżaniem lutem stali. Ponadto wykonane w ten sposób połączenie ze stalą jest niefunkcjonalne i wystarczą niewielkie obciążenia mechaniczne, zwłaszcza obciążenia dynamiczne, do zniszczenia połączenia. Zabezpieczenie powierzchni stali przed dyfuzyjnym oddziaływaniem fosforu podczas lutowania twardego, nie dopuszcza do kruchości połączeń oraz pozwala na poprawienie jakości połączeń lutowniczych miedzi lub jej stopów z dowolną stalą lub niklem i jego stopami, jak również połączeń stali ze stalą. Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że powierzchnię stali trawi się chemicznie, po czym na rozwiniętą powierzchnię stali poprzez trawienie, ewentualnie nanosi się warstwę niklu, którą pokrywa się warstwą miedzi. Następnie pomiędzy powierzchnią naniesionej warstwy miedzi i powierzchnią miedzi umieszcza się lut twardy zawierający fosfor, a tak przygotowaną strukturę podgrzewa się i lutuje. Korzystnie, lutuje się lutem na osnowie miedzi i fosforu ewentualnie z dodatkami srebra i/lub cyny i/lub niklu. Korzystnie, powierzchnię stali trawi się chemicznie do rozwinięcia jej powierzchni aż do osiągnięcia wysokości nierówności powierzchni Rz nie przekraczającej 30 μm. Korzystnie, warstwę niklu o grubości co najmniej 5 μm oraz warstwę miedzi o grubości do 100 μm, nanosi się galwanicznie. Korzystnie, pomiędzy powierzchnią naniesionej warstwy miedzi i powierzchnią miedzi umieszcza się lut w postaci folii albo taśmy albo mieszaniny zawierającej miedź i fosfor oraz cynę i/lub srebro w postaci pasty lutowniczej. Korzystnie, przygotowaną strukturę podgrzewa się i lutuje przez nagrzewanie płomieniowe albo indukcyjne albo oporowe albo przez lutozgrzewanie, czy też lutowanie w atmosferze gazowej. Zaletą połączeń lutowanych sposobem według wynalazku jest uzyskanie trwałych i funkcjonalnych połączeń miedzi i jej stopów z dowolnymi stalami, w których nie dochodzi do powstania kruchych faz międzymetalicznych w postaci fosforków M 2 P (Cu 2 P, Ni 2 P). Ponadto do lutowania miedzi z dowolnymi stalami oraz niklem i jego stopami można używać lutów na osnowie miedzi i fosforu, z dodatkami cyny, srebra lub niklu, bez użycia dodatkowego topnika.

3 PL B1 3 Zabezpieczenie stali podczas lutowania twardego spoiwami zawierającymi fosfor można zrealizować przez elektrochemiczne nakładanie warstw z odpowiednich metali, stanowiących bariery dyfuzyjne. Aby osiągnąć dobrą przyczepność warstw galwanicznych do powierzchni stali należy jej powierzchnię odpowiednio rozwinąć. Nie należy nakładać warstw galwanicznych na powierzchnię stali, tylko po odtłuszczeniu. Również obróbka mechaniczna i obróbka strumieniowo-ścierna nie dają wystarczającego rozwinięcia powierzchni stali. Przez trawienie chemiczne można uzyskać właściwe rozwinięcie powierzchni przy osiągnięciu wysokości nierówności R z do 30 μm. Większa wysokość nierówności powierzchni prowadzi do zjawiska karbu i urywania się zbyt silnie wyeksponowanych nierówności. Jako pierwszą proponuje się warstwę niklu o grubości nie przekraczającej 5 μm. Jest to warstwa, która zalecana jest do nakładania na powierzchnię stali chromowych i stali chromowo-niklowych, zabezpieczając te stale przed pasywacją i bezpośrednim oddziaływaniem dyfuzyjnym miedzi na stal, które prowadzi do utworzenia kruchych faz międzymetalicznych. Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie realizacji i na rysunku na którym fig. 1 przedstawia w ujęciu schematycznym przekrój przez połączenie lutowane: Cu - stal CrNi z warstwą niklu i miedzi wykonane nowym sposobem przy użyciu lutu na osnowie Cu - P, a fig. 2 - fotografię struktury przekroju połączenia lutowanego Cu - stal CrNi z warstwą Ni i Cu, wykonanego lutem srebrnym o składzie wagowym: 5% P, 15% Ag, reszta Cu. P r z y k ł a d 1 Sposób lutowania beztopnikowego miedzi ze stalami, lutami twardymi zawierającymi fosfor, polega na tym, że powierzchnię stali 1 trawi się chemicznie w odczynniku o składzie: 40 ml HCl, 40 ml HNO 3 i 80 ml wody destylowanej, po czym powierzchnię stali rozwiniętą poprzez trawienie, pokrywa się elektrochemicznie warstwą miedzi 2 o grubości 50 μm. Następnie pomiędzy powierzchnią naniesionej warstwy miedzi 2 i powierzchnią elementu miedzianego 3 umieszcza się lut twardy 4 o składzie wagowym: 5% P, 15% Ag reszta Cu, w postaci taśmy o grubości 0,2 mm i tak przygotowaną strukturę podgrzewa się i lutuje przez nagrzewanie płomieniowe. P r z y k ł a d 2 Sposób lutowania beztopnikowego miedzi ze stalami, lutami twardymi zawierającymi fosfor przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że na powierzchnię stali 1 rozwiniętą poprzez trawienie, nanosi się galwanicznie warstwę niklu 5 o grubości 5 μm, którą pokrywa się elektrochemicznie warstwą miedzi 2 o grubości 30 μm. Pomiędzy powierzchnią naniesionej warstwy miedzi 2 i powierzchnią elementu miedzianego 3 umieszcza się lut twardy 4 w postaci pasty zawierającej miedź i fosfor z dodatkiem cyny i tak przygotowaną strukturę podgrzewa się i lutuje przez nagrzewanie indukcyjne. Połączenie warstwy niklu 5 z powierzchnią stali chromowo-niklowej 1 z warstwą miedzi 2 jest na zasadzie adhezji właściwej i adhezji mechanicznej po procesie elektrochemicznym nałożenia niklu 5. Podczas lutowania twardego warstwa niklu 5 ze stalą 1 tworzy silne połączenie w wyniku zjawisk dyfuzyjnych. Na podstawie analiz stwierdzono, że dyfuzja fosforu z lutu 4 podczas lutowania sięga do połowy grubości warstwy miedzi 2, nie dochodząc do warstwy niklu 5 i powierzchni stali 1. Fotografia struktury przekroju połączenia lutowanego z fig. 3 wykonana przy użyciu mikroskopii świetlnej, pokazuje złącze lutowane Cu - stal CrNi 18-10, w którym widoczna jest od góry warstwa niklu 5 i miedzi 2, a także struktura lutu 4 o składzie wagowym: 5% P, 15% Ag, reszta Cu, a warstwa niklu 5 jest dobrze połączona z nierównościami na powierzchni stali 1. Połączenia elementów miedzianych 4 ze stalą 1 typu Cr - Ni 18/10 przy użyciu bariery dyfuzyjnej Ni + Cu, zrywają się poza zakładką, uzyskując wytrzymałość na rozciąganie w zakresie MPa, odpowiadającą wytrzymałości na rozciąganie miedzi w stanie miękkim. Statyczną próbę ścinania połączeń zakładkowych przeprowadzono na połączeniach lutowanych, o powierzchni zakładki wynoszącej 12 mm x 15 mm. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób lutowania beztopnikowego miedzi ze stalami, lutami twardymi, zawierającymi fosfor, polegający na nakładaniu na łączoną powierzchnię stali warstwy pośredniej zawierającej nikiel i zapobiegającej utracie niklu z elementu stalowego, a także dyfuzji z miedzi do stali, znamienny tym, że powierzchnię stali (1) trawi się chemicznie, po czym rozwiniętą poprzez trawienie powierzchnię stali (1), pokrywa się warstwą miedzi (2), następnie pomiędzy powierzchnią naniesionej

4 4 PL B1 warstwy miedzi (2) i powierzchnią elementu miedzianego (3) umieszcza się lut twardy (4) zawierający fosfor, a tak przygotowaną strukturę podgrzewa się i lutuje beztopnikowo. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na rozwiniętą poprzez trawienie powierzchnię stali (1), nanosi się warstwę niklu (5), którą pokrywa się warstwą miedzi (2). 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że lutuje się lutem twardym (4) na osnowie miedzi i fosforu ewentualnie z dodatkami srebra i/lub cyny i/lub niklu. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnię stali (1) trawi się chemicznie do rozwinięcia jej powierzchni aż do osiągnięcia wysokości nierówności powierzchni nie przekraczającej 30 μm. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę miedzi (2) o grubości do 100 μm, nanosi się galwanicznie. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę niklu (5) o grubości do 5 μm, nanosi się galwanicznie. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy powierzchnią naniesionej warstwy miedzi (2) i powierzchnią elementu miedzianego (3) umieszcza się lut (4) w postaci folii lub taśmy o grubości do 0,2 mm. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy powierzchnią naniesionej warstwy miedzi (2) i powierzchnią elementu miedzianego (3) umieszcza się lut (4) w postaci mieszaniny zawierającej miedź i fosfor z lub bez cyny, srebra i niklu, korzystnie w postaci pasty lutowniczej. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przygotowaną strukturę podgrzewa się i lutuje przez nagrzewanie płomieniowe albo indukcyjne, albo oporowe, albo przez lutozgrzewanie, czy też lutowanie w atmosferze gazowej.

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)