PL223503B1 - Sposób łączenia różnorodnych metali metodą lutowania - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób łączenia różnorodnych metali metodą lutowania, zwłaszcza miedzi i aluminium.

Lutowanie aluminium i jego stopów z miedzią i jej stopami zawsze stanowiło problem. W połączeniach tego typu, miedź może dyfundować w głąb aluminium tworząc niskotopliwa eutektykę o dużej kruchości. Inną trudność stanowi duża różnica temperatur topnienia obydwu metali, dla aluminium wynosi około 660°C, natomiast dla miedzi wynosi około 1083°C. Obecnie połączenia takie wykonywane są przykładowo z wykorzystaniem lutu na osnowie cynku bądź też przez wstępne pokrycie miedzi warstwą lutu, srebra bądź też stopu srebra. Wykorzystanie lutów cynkowych skutkuje jednak powstaniem kruchych faz na powierzchni miedzi znacząco obniżających wytrzymałość złącza.

Wykorzystanie warstw pośrednich do lutowania miedzi ze stalą jest znane, z opisu patentowego PL 215756, w którym w celu beztopnikowego wytworzenia połączenia zaproponowano naniesienie na stal galwanicznie warstwy niklowej, a następnie miedzianej. Złącze zostało wykonane z wykorzystaniem lutu twardego o osnowie miedziano-fosforowych ewentualnie z dodatkami srebra i/lub cyny i/lub niklu.

Również w patencie US 5340015 do nanoszenie lutu na różnorodne materiały zostało zastosowane natryskiwanie plazmowe umożliwiające wytworzenie szczelnej, lokalnej warstwy. Złącza zostały następnie polutowane metodą lutowania twardego w kąpieli solnej. Natryskiwanie plazmowe powoduje utlenienie powłoki, więc lutowanie musiało odbywać się w solance, która rozpuściła warstwę tlenków.

W patencie US 6949300 do naniesienia warstwy lutu na powierzchnię elementów wymienników ciepła wykonanych z aluminium i jego stopów zaproponowano wysokociśnieniowe natryskiwanie na zimno znane z opisu patentowego numer US 6139913 ze sprężonym powietrzem, jako gazem roboczym. Nanoszona warstwa lutu jest na osnowie: monolit cynku, stopu cynku-aluminium, stopu aluminium-krzem, stopu aluminium-cynk-krzem lub ze stopu cynk-krzem-miedź, zawierała inhibitory korozji. Złącza zostały polutowane metodą lutowania twardego w temperaturze 600°C z zastosowaniem azotu jako atmosfery ochronnej.

Znany jest z patentu US 6821558 sposób łączenia metali za pomocą warstwy lutu naniesionego metodą wysokociśnieniowego natryskiwania na zimno, charakteryzujące się chropowatą i falistą strukturą zostały wykorzystane do nanoszenia topnika w postaci proszku, który dzięki odpowiedniej stereometrii warstwy utrzymywał się na powierzchni w próbie uderzenia przy swobodnym spadku. Naniesione warstwy z topnikiem przeznaczone były do lutowania twardego. Do wytworzenia warstw zostało użyte niskociśnieniowe urządzenie do natryskiwania na zimno, znane, z opisu patentowego EPO 0484533. Metoda charakteryzuje się minimalnym wpływem temperatury zarówno na natryskiwany proszek jak i materiał substratu. Dzięki temu nie dochodzi do tworzenia kruchych faz na powierzchni łączenia warstwa-materiał podłoża, jak również do niekorzystnych zmian strukturalnych w natryskiwanym materiale oraz materiale podłoża.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu łączenia różnorodnych metali, o różnych właściwościach fizykochemicznych, poprzez naniesienie metalicznej warstwy pośredniej, za pomocą metod lutowania, i które gwarantowałyby prawidłowe połączenia o wysokiej jakości.

Istota sposobu, według wynalazku, polega na tym, że co najmniej jedną powierzchnię z łączonych metali oczyszcza się poprzez płukanie cieczą, a następnie oczyszczoną powierzchnię poddaje się obróbce strumieniowo-ściernej, po czym nanosi się warstwę metaliczną metodą bombardowania cząstkami metalu zawieszonymi w strumieniu gazu podgrzanego do temperatury 650°C i o ciśnieniu do 0,9 MPa, przy czym cząstki metalu uderzają z prędkością od 200 m/s do 700 m/s. o powierzchnię metalu. Następnie pomiędzy powierzchnią naniesionej warstwy metalicznej i powierzchnią drugiego łączonego metalu umieszcza się lut w postaci topnika lub pasty lutowniczej, po czym tak przygotowaną strukturę podgrzewa się znanymi metodami a następnie wykonuje połączenie metodą lutowania miękkiego.

Korzystnym jest również, gdy warstwę metaliczną stanowi ten sam materiał, co jeden z materiałów łączonych.

Korzystnie, jako warstwę metaliczną nanosi się cząstki metalu w postaci proszku o wielkości ziaren 1-100 μm.

Korzystnie, jako warstwę metaliczną nanosi się cząstki metalu w postaci mieszaniny proszków metali.

Korzystnie, na powierzchnię metalu nanosi się warstwę metaliczną o grubości do 1 mm.

Korzystnym jest, aby warstwę metaliczną nanieść na całej powierzchni jednego złączonych metali.

PL 223 503 B1

Korzystnie, naniesioną warstwę metaliczną poddaje się obróbce mechanicznej w celu pozyskania chropowatości Ra poniżej 10 gm.

Korzystnie, gdy strumień gazu podgrzewa się do temperatury nie przekraczającej połowy temperatury topnienia cząstek metalu lub mieszaniny metali tworzących warstwę metaliczną, lecz nie wyższą niż 650°C.

Korzystnie, przy stosowaniu lutu w postaci topnika należy zachować szczelinę lutowniczą w zakresie 0,1+0,2 mm.

Zaletą połączeń lutowanych według wynalazku jest możliwość łączenie ze sobą dowolnych metali i uzyskanie jednorodnego złącza. Eliminuje się w ten sposób wszelkie niepożądane zjawiska, jak problem ze zwilżalnością powierzchni czy korozją elektrochemiczną.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia w ujęciu schematycznym przekrój połączenia lutowanego.

P r z y k ł a d 1

Sposób łączenia różnorodnych metali metodą lutowania przy zastosowaniu warstw pośrednich polega na tym, że powierzchnię metalu 1 oczyszcza się i odtłuszcza poprzez płukanie cieczą, po czym oczyszczoną powierzchnię poddaje się obróbce piaskowaniem, aby zapewnić zwiększenie wydajności osadzania się proszku oraz lepsze właściwości mechaniczne warstwy. Następnie na tak przygotowane podłoże nanosi się warstwę metaliczną 2 metodą bombardowania cząstkami metalu zawieszonymi w strumieniu gazu podgrzanego maksymalnie do temperatury 650°C i o ciśnieniu do 0,9 MPa, przy czym cząstki metalu uderzają z prędkością od 200 do 700 m/s. na powierzchnię metalu 1, wystarczającą do zajścia plastycznych odkształceń umożliwiających osadzenie się proszku na jego powierzchni. Grubość warstwy metalicznej 2 jest dowolna, jednak korzystnym jest zastosowanie grubości poniżej 1 gm, co gwarantuje pozyskanie dobrych właściwości mechanicznych i nanosi się ją na całej powierzchni przeznaczonej do wykonania połączenia lutowanego, aby zapewnić jednolite właściwości złącza. Następnie naniesioną warstwę metaliczną 2 poddaje się obróbce mechanicznej, w celu uzyskania płaskiej powierzchni oraz chropowatości Ra poniżej 10 gm. Jako warstwę metaliczną 2 nanosi się cząstki metalu w postaci proszku o wielkości ziaren 1-100 gm. Proszkiem metalu może być każdy materiał, który cechuje się dobrą zwilżalnością powierzchni i lutownością, korzystnym jest jednak zastosowanie proszków miedzi lub aluminium. Podczas nanoszenia warstwy metalicznej 2 strumień gazu podgrzewa się do temperatury nie przekraczającej połowy temperatury topnienia użytych cząstek metalu. Ponieważ proces przebiega na zimno, nie dochodzi do intensywnego utlenienia wewnętrznej struktury warstwy. W przypadku zastosowania metali o słabej zwilżalności powierzchni lub lutowności, korzystnym jest nanieść powłokę warstwy metalicznej na obu lutowanych metalach. Po naniesieniu warstwy metalicznej 2 oba metale 1, 4 poddawane są procesowi lutowania miękkiego. Przed przystąpieniem do lutowania miękkiego miejsce połączenia pokrywa się lutem 3 w postaci topnika lub pasty lutowniczej, przy czym przy zastosowaniu aluminiowej warstwy metalicznej 2 zaleca się pasty lutownicze na osnowie cynku, przykładowo ZnA14, lub topnik zawierający związki cezu. Natomiast, przy zastosowaniu miedzianej warstwy metalicznej 2 zaleca się pasty lutownicze na osnowie cyny, przykładowo SnCu3, oraz topnik na osnowie chlorku cynku. Następnie nagrzewa do temperatury wyższej o około 50°C od temperatury topnienia zastosowanego lutu 3, w celu umożliwienia poprawnego zajścia zjawisk fizykochemicznych, takich jak zwilżalność czy kapilarność. Proces lutowania miękkiego może odbywać się przez nagrzewanie płomieniowe, indukcyjne, oporowe lub piecowe. Po osiągnięciu temperatury lutowania, naniesiona warstwa metaliczna 2 zapewnia dobrą lutowność i umożliwia pełne wypełnienie szczeliny lutowniczej ciekłym lutem 3. Ważne jest żeby w przypadku lutowania z użyciem topnika, szczelina lutownicza wynosiła w zakresie 0,1 +0,2 mm, w celu ułatwienia wydostania się jego pozostałości na zewnątrz złącza. Po procesie lutowania należy umyć złącze ciepłą wodą w celu usunięcia pozostałości topnika.

P r z y k ł a d 2

Sposób łączenia różnorodnych metali przy zastosowaniu warstw pośrednich metodą lutowania przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że warstwę metalu o grubości 1 mm nanosi się na powierzchnie obu metali 1, 4 przeznaczonych do lutowania, przy czym warstwę metaliczną 2 nanosi się z cząstek metalu w postaci mieszaniny proszków metali.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób łączenia różnorodnych metali przy zastosowaniu warstw pośrednich metodą lutowania, znamienny tym, że co najmniej jedną powierzchnię z łączonych metali (1, 4) oczyszcza się poprzez płukanie cieczą, a następnie oczyszczoną powierzchnię poddaje się obróbce strumieniowościernej, po czym nanosi się warstwę metaliczną (2) metodą bombardowania cząstkami metalu zawieszonych w strumieniu gazu podgrzanego do temperatury 650°C i o ciśnieniu do 0,9 MPa, przy czym cząstki metalu uderzają z prędkością od 200 m/s do 700 m/s w powierzchnię metalu (1), następnie pomiędzy powierzchnią naniesionej warstwy metalicznej 2 i powierzchnią drugiego łączonego metalu 4 umieszcza się lut (3) w postaci topnika lub pasty lutowniczej, po czym tak przygotowaną strukturę podgrzewa się znanymi metodami, a następnie wykonuje połączenie metodą lutowania miękkiego.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę metaliczną stanowi ten sam materiał, co jeden z materiałów łączonych.
3. 3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako warstwę metaliczną (2) nanosi się cząstki metalu w postaci proszku o wielkości ziaren 1-100 pm.
4. 4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako warstwę metaliczną (2) nanosi się cząstki metalu w postaci mieszaniny proszków metali.
5. 5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że na powierzchnię metalu (1) nanosi się warstwę metaliczną (2) o grubości do 1 mm.
6. 6. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę metaliczną (2) nanosi się na całej powierzchni jednego z łączonych metali.
7. 7. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że naniesioną warstwę metaliczną (2) poddaje się obróbce mechanicznej w celu pozyskania chropowatości Ra poniżej 10 pm.
8. 8. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień gazu podgrzewa się do temperatury nie przekraczającej połowy temperatury topnienia cząstek metalu lub mieszaniny metali tworzących warstwę metaliczną (2), lecz nie wyższej niż 650°C.
9. 9. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że przy stosowaniu lutu (3) w postaci topnika należy zachować szczelinę lutowniczą w zakresie 0,1 * 0,2 mm.