Pájení nerezové oceli

Pájení nerezové oceli

1. Pájitelnost

Hlavním problémem při pájení nerezové oceli je, že oxidový film na povrchu vážně ovlivňuje smáčení a rozprostírání pájky. Různé nerezové oceli obsahují značné množství Cr a některé také Ni, Ti, Mn, Mo, Nb a další prvky, které mohou na povrchu tvořit různé oxidy nebo dokonce kompozitní oxidy. Mezi nimi jsou oxidy Cr2O3 a TiO2 z Cr a Ti poměrně stabilní a obtížně se odstraňují. Při pájení na vzduchu je nutné k jejich odstranění použít aktivní tavidlo. Při pájení v ochranné atmosféře lze oxidový film redukovat pouze ve vysoce čisté atmosféře s nízkým rosným bodem a dostatečně vysokou teplotou. Při pájení ve vakuu je nutné mít dostatečné vakuum a dostatečnou teplotu pro dosažení dobrého pájecího účinku.

Dalším problémem pájení nerezové oceli je, že teplota ohřevu má vážný vliv na strukturu základního kovu. Teplota pájení austenitické nerezové oceli nesmí být vyšší než 1150 °C, jinak dojde k výraznému zvětšení zrna. Pokud austenitická nerezová ocel neobsahuje stabilní prvek Ti nebo Nb a má vysoký obsah uhlíku, je třeba se vyhnout pájení v rámci senzibilizační teploty (500 ~ 850 °C). Aby se zabránilo snížení odolnosti proti korozi v důsledku srážení karbidu chromu, je třeba se vyhnout výběru teploty pájení pro martenzitickou nerezovou ocel. Jedním z nich je sladit teplotu pájení s teplotou kalení, aby se proces pájení kombinoval s procesem tepelného zpracování. Druhým je, že teplota pájení by měla být nižší než teplota popouštění, aby se zabránilo změknutí základního kovu během pájení. Princip výběru teploty pájení pro precipitačně kalené nerezové oceli je stejný jako u martenzitické nerezové oceli, to znamená, že teplota pájení musí odpovídat systému tepelného zpracování, aby se dosáhlo nejlepších mechanických vlastností.

Kromě výše uvedených dvou hlavních problémů existuje při pájení austenitické nerezové oceli tendence k praskání v důsledku napětí, zejména při pájení s přídavným kovem měď-zinek. Aby se zabránilo praskání v důsledku napětí, musí být obrobek před pájením žíhán pro uvolnění napětí a během pájení musí být obrobek rovnoměrně zahříván.

2. Pájecí materiál

(1) Podle požadavků na použití svařenců z nerezové oceli zahrnují běžně používané přídavné kovy pro pájení pro svařence z nerezové oceli přídavný kov na bázi cínu a olova, přídavný kov na bázi stříbra, přídavný kov na bázi mědi, přídavný kov na bázi manganu, přídavný kov na bázi niklu a přídavný kov na pájení z drahých kovů.

Cínovo-olovnatá pájka se používá hlavně pro pájení nerezové oceli a je vhodné, aby měla vysoký obsah cínu. Čím vyšší je obsah cínu v pájce, tím lepší je její smáčivost na nerezové oceli. Smyková pevnost spojů nerezové oceli 1Cr18Ni9Ti pájených několika běžnými cínovo-olovnatými pájkami je uvedena v tabulce 3. Vzhledem k nízké pevnosti spojů se používají pouze pro pájení součástí s malou únosností.

Tabulka 3 pevnost ve smyku spoje nerezové oceli 1Cr18Ni9Ti pájeného cíno-olovnatou pájkou

Přídavné kovy na bázi stříbra jsou nejčastěji používanými přídavnými kovy pro pájení nerezové oceli. Mezi nimi se nejčastěji používají přídavné kovy na bázi stříbra, mědi, zinku a stříbra, mědi, zinku a kadmia, protože teplota pájení má malý vliv na vlastnosti základního kovu. Pevnost spojů nerezové oceli ICr18Ni9Ti pájených několika běžnými pájkami na bázi stříbra je uvedena v tabulce 4. Spoje nerezové oceli pájené pájkami na bázi stříbra se zřídka používají ve vysoce korozivních médiích a pracovní teplota spojů obvykle nepřesahuje 300 °C. Při pájení nerezové oceli bez niklu by se pro prevenci koroze pájeného spoje ve vlhkém prostředí měl použít přídavný kov s vyšším obsahem niklu, například b-ag50cuzncdni. Při pájení martenzitické nerezové oceli by se pro prevenci změknutí základního kovu měl použít přídavný kov s teplotou pájení nepřesahující 650 °C, například b-ag40cuzncd. Při pájení nerezové oceli v ochranné atmosféře lze k odstranění oxidového filmu na povrchu použít samopájecí tavidlo s obsahem lithia, například b-ag92culi a b-ag72culi. Při pájení nerezové oceli ve vakuu lze pro zachování dobré smáčivosti přídavného materiálu bez snadno odpařovatelných prvků, jako je Zn a CD, zvolit stříbrný přídavný materiál obsahující prvky, jako je Mn, Ni a RD.

Tabulka 4 pevnost spoje z nerezové oceli ICr18Ni9Ti pájeného přídavným materiálem na bázi stříbra

Přídavné kovy pro pájení na bázi mědi používané pro pájení různých ocelí jsou převážně čistá měď, měď-nikl a měď-mangan-kobalt. Čistý měděný přídavný kov se používá hlavně pro pájení pod ochranou plynu nebo ve vekaustu. Pracovní teplota spoje z nerezové oceli nepřesahuje 400 °C, ale spoj má nízkou odolnost proti oxidaci. Přídavný kov pro pájení měď-nikl se používá hlavně pro pájení plamenem a indukční pájení. Pevnost pájeného spoje z nerezové oceli 1Cr18Ni9Ti je uvedena v tabulce 5. Je vidět, že spoj má stejnou pevnost jako základní kov a pracovní teplota je vysoká. Přídavný kov pro pájení CuMnCo se používá hlavně pro pájení martenzitické nerezové oceli v ochranné atmosféře. Pevnost spoje a pracovní teplota jsou srovnatelné s přídavným kovem pro pájení s přídavným kovem na bázi zlata. Například spoj z nerezové oceli 1Cr13 pájený pájkou b-cu58mnco má stejný výkon jako stejný spoj z nerezové oceli pájený pájkou b-au82ni (viz tabulka 6), ale výrobní náklady jsou výrazně nižší.

Tabulka 5 pevnost ve smyku spoje nerezové oceli 1Cr18Ni9Ti pájeného s vysokoteplotním přídavným kovem na bázi mědi

Tabulka 6 pevnost ve smyku pájeného spoje z nerezové oceli 1Cr13

Přídavné kovy pro pájení na bázi manganu se používají hlavně pro pájení v ochranné atmosféře plynu a je požadována vysoká čistota plynu. Aby se zabránilo růstu zrn základního kovu, měl by být zvolen odpovídající přídavný kov pro pájení s teplotou pájení nižší než 1150 °C. Uspokojivého pájecího účinku lze dosáhnout u spojů z nerezové oceli pájených pájkou na bázi manganu, jak je uvedeno v tabulce 7. Provozní teplota spoje může dosáhnout 600 °C.

Tabulka 7 Smyková pevnost spoje nerezové oceli lcr18ni9fi pájeného přídavným materiálem na bázi manganu

Pokud je nerezová ocel pájena s přídavným kovem na bázi niklu, má spoj dobré vlastnosti za vysokých teplot. Tento přídavný kov se obecně používá pro pájení v ochranné atmosféře plynu nebo ve vakuu. Aby se překonal problém, že se v pájeném spoji během jeho vytváření tvoří křehčí sloučeniny, což výrazně snižuje pevnost a plasticitu spoje, měla by být mezera ve spoji minimalizována, aby se zajistilo, že prvky snadno tvořící křehkou fázi v pájce plně difundují do základního kovu. Aby se zabránilo růstu zrn základního kovu v důsledku dlouhé doby výdrže při teplotě pájení, lze po svařování provést procesní opatření zahrnující krátkodobou výdrž a difuzní zpracování při nižší teplotě (ve srovnání s teplotou pájení).

Mezi přídavné kovy pro pájení nerezové oceli patří zejména přídavné kovy na bázi zlata a palladia, z nichž nejtypičtější jsou b-au82ni, b-ag54cupd a b-au82ni, které mají dobrou smáčivost. Pájený spoj z nerezové oceli má vysokou tepelnou pevnost a odolnost proti oxidaci a maximální pracovní teplota může dosáhnout 800 °C. B-ag54cupd má podobné vlastnosti jako b-au82ni a jeho cena je nízká, takže má tendenci nahrazovat b-au82ni.

(2) Povrch nerezové oceli v tavidle a atmosféře pece obsahuje oxidy, jako je Cr2O3 a TiO2, které lze odstranit pouze použitím tavidla se silnou aktivitou. Pokud se nerezová ocel pájí cínovo-olovnatou pájkou, vhodným tavidlem je vodný roztok kyseliny fosforečné nebo roztok oxidu zinečnatého a kyseliny chlorovodíkové. Doba působení vodného roztoku kyseliny fosforečné je krátká, proto je nutné zvolit metodu pájení rychlým ohřevem. Pro pájení nerezové oceli s přídavnými kovy na bázi stříbra lze použít tavidla Fb102, fb103 nebo fb104. Při pájení nerezové oceli s přídavnými kovy na bázi mědi se používá tavidlo fb105 kvůli vysoké teplotě pájení.

Při pájení nerezové oceli v peci se často používá vakuová atmosféra nebo ochranná atmosféra, jako je vodík, argon a rozkladný amoniak. Během vakuového pájení by měl být tlak vakua nižší než 10-2 Pa. Při pájení v ochranné atmosféře by rosný bod plynu neměl být vyšší než -40 °C. Pokud není čistota plynu dostatečná nebo teplota pájení není vysoká, lze do atmosféry přidat malé množství tavidla pro pájení v plynu, například fluoridu boritého.

2. Technologie pájení

Nerezová ocel musí být před pájením důkladněji očištěna, aby se odstranil veškerý mastnotový a olejový film. Pájet je lepší ihned po očištění.

Pájení nerezové oceli lze provádět plamenem, indukcí a ohřevem v peci. Pájecí pec musí mít dobrý systém regulace teploty (odchylka teploty pájení musí být ± 6 °C) a musí být rychle ochlazena. Pokud se jako ochranný plyn pro pájení používá vodík, požadavky na vodík závisí na teplotě pájení a složení základního kovu, tj. čím nižší je teplota pájení, tím více základní kov obsahuje stabilizátor a tím nižší je rosný bod vodíku. Například u martenzitických nerezových ocelí, jako jsou 1Cr13 a cr17ni2t, musí být rosný bod vodíku při pájení při 1000 °C nižší než -40 °C; u chromniklové nerezové oceli 18-8 bez stabilizátoru musí být rosný bod vodíku při pájení při 1150 °C nižší než 25 °C; U nerezové oceli 1Cr18Ni9Ti obsahující titanový stabilizátor však musí být rosný bod vodíku při pájení na 1150 °C nižší než -40 °C. Při pájení s ochranou argonem je vyžadována vyšší čistota argonu. Pokud je na povrch nerezové oceli nanesena měď nebo nikl, lze snížit požadavek na čistotu ochranného plynu. Pro zajištění odstranění oxidového filmu z povrchu nerezové oceli lze přidat také tavidlo BF3 a použít i samotavidlo s obsahem lithia nebo bóru. Při vakuovém pájení nerezové oceli závisí požadavky na stupeň vakua na teplotě pájení. Se zvyšující se teplotou pájení lze požadované vakuum snížit.

Hlavním procesem u nerezové oceli po pájení je čištění zbytkového tavidla a zbytkového inhibitoru tečení a v případě potřeby provedení tepelného zpracování po pájení. V závislosti na použitém tavidle a metodě pájení lze zbytkové tavidlo omýt vodou, mechanicky nebo chemicky vyčistit. Pokud se k čištění zbytkového tavidla nebo oxidového filmu v zahřáté oblasti v blízkosti spoje používá abrazivo, musí se použít písek nebo jiné jemné nekovové částice. Díly vyrobené z martenzitické nerezové oceli a nerezové oceli s precipitačním zpevněním vyžadují tepelné zpracování podle zvláštních požadavků materiálu po pájení. Spoje z nerezové oceli pájené přídavnými kovy NiCrB a NiCrSi se po pájení často ošetřují difuzním tepelným zpracováním, aby se snížily požadavky na pájecí mezeru a zlepšila se mikrostruktura a vlastnosti spojů.