Пайка циркония

Цирконий является относительно тугоплавким металлом с T_пл = 1855 °С, его плотность 6,4 г/см³. Цирконий обладает сравнительно низким временным сопротивлением при растяжении (200...280 МПа). Прочность его ниже, чем у титана и железа, а твердость примерно одинакова. Добавки к цирконию молибдена, ниобия, титана улучшают его механические свойства. Цирконий и его сплавы пластичны, хорошо обрабатываются давлением, резанием, имеют высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах.

Близкие значения температурных коэффициентов объемного расширения циркониевых сплавов и некоторых диэлектриков позволяют использовать их для получения соединений со стеклом и керамикой. Эти свойства делают цирконий и его сплавы весьма ценными материалами в электронике и вакуумной технике.

При 20 °С цирконий и его сплавы инертны по отношению к газам, но при повышенной температуре они взаимодействуют с кислородом, азотом и водородом, образуя оксиды, нитриды и гидриды. Водород - единственный газ, реакция поглощения которого цирконием обратима. Максимальное насыщение циркония водородом происходит при 280...300 °С; при нагреве в вакууме до 800 °С водород полностью удаляется. С азотом цирконий начинает взаимодействовать с 400 °С. Наибольшее поглощение азота из воздуха происходит при 1000...1600 °С. Удалить азот из циркония при нагревании в вакууме до температуры 1300 °С не удается. Реакция циркония с кислородом сопровождается образованием на его поверхности оксидной пленки. Однако при 450 °С оксидная пленка растворяется в металле, вследствие чего происходит дальнейшее поглощение кислорода. Удалить кислород из циркония нагревом в вакууме не удается. Инертные газы - аргон и гелий - не растворяются в цирконии, но при недостаточной их чистоте цирконий окисляется и на его поверхности образуется слой оксидов черно-синего цвета. Перед пайкой цирконий и его сплавы травят в смеси водных растворов плавиковой и азотной кислот (3 мл азотной, 5 мл плавиковой кислоты и 92 мл воды).

При пайке циркония в аргоне или гелии последние необходимо предварительно очищать от примесей кислорода, водорода, азота и паров воды. Паять цирконий и его сплавы в вакууме можно при разрежении в камере пайки не ниже 10^-3 Па.

При выборе припоя необходимо учитывать, что многие компоненты, входящие в припой (Ag, Cu, Ni), активно взаимодействуют с основным металлом с образованием химических соединений или легкоплавких эвтектик. Поэтому пайку циркония с медью, никелем железом или коррозионно-стойкой сталью можно осуществлять без припоя (контактно-реактивным методом). Хотя соединения получаются и непрочными, но обеспечивают герметичность и коррозионную стойкость. Многие припои активно растворяют цирконий, вызывая сильную эрозию или сквозное проплавление тонкостенных конструкций. Сильной эрозии цирконий подвергается при пайке медью. Припой на основе титана не вызывает эрозии, так как титан с цирконием образует твердые растворы. Припоями на основе титана можно паять цирконий диффузионным методом.

Для высокотемпературной пайки циркония можно применять припои на основе золота. Золото с цирконием реагирует при 1065 °С. Небольшое количество легирующих добавок железа, никеля, меди, образующих с золотом твердые растворы, снижает температуру пайки, но не изменяет механические свойства паяных соединений. В качестве легирующих компонентов используют также ванадий и кобальт. Эти элементы снижают температуру пайки и уменьшают растворимость циркония в припое, т.е. образуют с цирконием твердые растворы, или эвтектику, при температуре, значительно превышающей температуру пайки. Для пайки циркония рекомендуются также припои системы Cu-Pd с различными добавками.

Легирование меди палладием и цирконием способствует уменьшению растворения основного металла в припое. Температура плавления припоев 960...1050 °С, пайку циркония этими припоями осуществляют в вакууме 10^-2 Па.

Припои обеспечивают вакуумную плотность соединений циркония с железом, низкоуглеродистой сталью и никелем при 20 °С и повышенных температурах. Пайку циркония этими припоями осуществляют без нанесения барьерных покрытий, что упрощает технологический процесс и повышает надежность соединений.

При пайке циркониевых сплавов (Zr-Sn) - циркалой палладиевыми припоями состава (в %): Ag-33Pd-3Mn; Au-25Pd-25Ni; Pd-35Co, - происходит интенсивное растворение паяемого металла. Растворение уменьшается при применении припоев (в %): Au-18Ni; Zr-5Be; Zr-50Ag; Zr-29Mn и Zr-24Sn, - но при пайке изделий из этих сплавов с зазорами 0,08...0,15 мм в швах образуются фазы с высокой микротвердостью. Получить пластичные соединения без хрупких интерметаллидных фаз можно при пайке этими же припоями при обеспечении сборочного зазора от 5 до 20 мкм.

Для узлов ядерной энергетики хорошим сочетанием коррозионной стойкости в борированной воде при температуре 360 °С и давлении 14,7 МПа и механической прочности 450...500 МПа обладают соединения циркалоя, паянные припоями (в %): Zr-50Ag и Zr-24Sn. Используют для узлов ядерной энергетики и припои системы Zr-Ве.Так, дистанцирующие решетки ТВЭЛов паяют в вакуумных печах с индукционным нагревом при температуре 980 °С припоем Zr-5Be или при температуре 1030 °С припоем состава (в %): 93Zr-5Be-2Sn. Эти соединения также имеют высокую коррозионную стойкость.

Пайку циркония без барьерного покрытия производят и самофлюсующими серебряными припоями.

Для предотвращения растворения циркония припоями, вступающими с ним в активное взаимодействие, применяют промежуточные барьерные покрытия. В этом случае используют никелевое покрытие, которое имеет удовлетворительное сцепление с цирконием при условии предварительного травления поверхности детали в водных растворах фторида аммония и плавиковой кислоты, подогретых до 30...40 °С, и последующего отжига в вакууме при 850...900 °С. Пайку по никелевому покрытию можно производить всеми легкоплавкими припоями, смачивающими никель, и высокотемпературными. но с температурой пайки, не превышающей 900 °С, так как уже при температуре 960 °С образуется легкоплавкая эвтектика.

При пайке циркония припоями на основе серебра по никелевому барьерному покрытию обеспечиваются вакуумная плотность и предел прочности паяных соединений до 200 МПа.

Для работы паяных соединений циркония при высокой температуре применяют более тугоплавкие барьерные покрытия, например ниобий. Пайку по ниобиевому покрытию производят при 1000...1200 °С припоями систем Zr-Ni; Zr-Ni-Pd; Ti-Pd и др. При пайке циркония с ниобием, танталом, молибденом и гафнием без нанесения барьерного покрытия применяют припои систем Zr-V, Zr-Co и др. Соединения, паянные этими припоями, обеспечивают теплостойкость до 1200...1300 °С.

По материалам: "Справочник по пайке". Под ред. И.Е. Петрунина. -М., Машиностроение, 2003