Исследование и разработка технологии получения сплавов системы Cu-Mn-Ni методом механического легирования для высокотемпературной пайки

Для соединения с помощью пайки изделий, работающих под высокими нагрузками, при повышенных температурах, в коррозионно-активных средах, в качестве припоев применяют специальные сплавы на основе системы Си-Мп-№ (до 30% Мп, до 20% N0. Сплавы этой группы отличаются уникальными механическими свойствами (высокая прочность от криогенных температур до 600 °C, высокая ударная вязкость и др.), однако, в литературе отсутствуют данные о технологии получения этих сплавов, их кристаллизации и зависимости свойств от химического состава. Сплавы припоев характеризуются малым интервалом солидус-ликвидус, поэтому, представляет научный и практический интерес исследования на диаграмме состояния Си-Мп-ГчП области сплавов с минимальным интервалом кристаллизации.

Обычно припои системы Си-Мп-№ используются в виде заготовокзакладных элементов в форме колец, дисков и других видов высечки из проката. Практически отсутствуют сведения о применении этих сплавов в виде проволоки. Трудности приготовления этих сплавов обусловлены: с одной стороны, сложностью плавки из-за угара Мп и нестабильности химического составас другой стороны, сложностью обработки слитков давлением. Поэтому, изготовление закладных элементов из этих сплавов сопряжено с большим количеством отходов (более 20%) и требует многочисленных технологических переделов.

Одним из возможных путей снижения трудоемкости изготовления закладных элементов являются методы порошковой металлургии, т. е. изготовление закладных элементов непосредственно из порошков. В качестве метода получения порошков сплавов рассматривается метод механического легирования, заключающийся в получении «псевдосплава» из порошков исходных компонентов (Си, Мп, №), который по характеру плавления, растекаемости, заполнению капиллярного зазора и последующей 5 кристаллизации соответствует материалу, полученному традиционным способом (шггье слитка, обработка давлением, вырубка закладных элементов).

В литературе нет информации о применении механического легирования для сплавов системы Си —Мп — N1. Поэтому разработка новых сплавов невозможна без проведения комплексного исследования их структуры и свойств на разных этапах приготовления и сравнительных испытаний материалов, полученных альтернативными способами.

Таким образом, задача разработки технологии получения сплавов Си —Мп — № находится на стыке литья и порошковой металлургии и является актуальной.

Целью работы является исследование и разработка технологии изготовления сплавов системы Си —Мп — №, применяемых в качестве припоев, с использованием механического легирования, изготовления из них заготовок различной формы с минимизацией отходов.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1 Экспериментально и теоретически исследовать область диаграммы состояния Си — Мп — N1 со сплавами, обладающими минимальными интервалами кристаллизации;

2 Исследовать влияние химического состава на структуру и свойства сплавов системы Си-Мп-ЬП (до 30% Мп, до 20%ТП), используемых в качестве высокотемпературных припоев;

3 Разработать технологию получения сплавов системы Си — Мп — № методом механического легирования с последующим изготовлением закладных элементов;

4 Исследовать свойства сплавов, полученных механическим легированием в сравнении со свойствами сплавов, приготовленных методами литья (характер плавления, растекание, заполнение капилляров, кристаллизация);

5 Исследовать возможность применения припоев, изготовленных методом механического легирования.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1 Экспериментально доказано существование и определено место положения линии со сплавами на диаграмме Cu-Mn-Ni, обладающими практически нулевым интервалом кристаллизации в области содержания Мп до 50%, Ni до 15%;

2 Методом математического полнофакторного эксперимента (ПФЭ) установлено, что в сплавах медного угла диаграммы Cu-Mn-Ni, при увеличении содержания Мп, снижается температура солидус и ликвидус, а при увеличении Ni — повышается, влияние этих элементов на солидус и ликвидус равнозначное. При увеличении содержании Мп и Ni наблюдается рост значений твердости, влияние Ni на твердость сплавов больше, чем Мп примерно на 10%. Это позволяет подбирать сплавы припои Cu-Mn-Ni в соответствии со свойствами основы (паяемый металл);

3 Установлено, что для получения сплавов системы Cu-Mn-Ni из чистых порошков (Cu, Мп, Ni) по свойствам полностью соответствующих литым сплавам, необходимо процесс механического легирования проводить в атмосфере аргона 3 часа;

4 Механическое легирование использовалось и для получения лигатур с тугоплавкими и легкоокисляющимися элементами, в отличие от традиционных методов получения лигатур — в вакууме. С помощью механического легирования удалось ввести Сг, Zr в требуемом количестве в сплавы, полученные разными способами, что подтвердилось результатами химического анализа;

5 Установлено, что сплавы, полученные с помощью механического легирования, имеют меньшую величину угара Мп, в сравнении с традиционным способом сплавления. В сплавах, содержащих от 23,5% до 41% Мп, угар составлял 0,6% и 1,9%, соответственно, при плавке сплавов из чистых компонентов угар составлял 1,9% и 3,7%;

6 Подтверждено с помощью разработанной методики оценки свойств жидких расплавов, что с помощью механического легирования можно получать сплавы, которые по характеру плавления и затекания в капиллярный зазор соответствуют литым сплавам;

7 Установлено с помощью разработанной методике оценки свойств жидких расплавов, что в месте размещения механически-легированных сплавов появляется шлаковый остаток, который увеличивается с увеличением времени обработки в мельнице. Поэтому механически-легированные сплавы нельзя располагать внутри шва перед пайкой, а только вне зоны шва. Тогда чистый металл будет затекать в зазор, а шлак останется снаружи.

8 Разработанная методика, исследующая кинетику плавления и затекания сплавов зазор, позволяет оценить пригодность сплавов в качестве припоев;

9 Пайкой реальных изделий показано, что сплавы, полученные с помощью механического легирования, ничем не отличаются от сплавов, полученных прямым сплавлением чистых компонентов, по характеру плавления, затекания и кристаллизации;