Изобретение относится к области машиностроения, в частности, к разделу подготовки деталей теплообменника из алюминиевого сплава под пайку. Согласно предлагаемому изобретению подготовка включает нанесение никелевого покрытия на пластины и гофры теплообменника и последующую термообработку.
Известно множество способов нанесения покрытий, применение которых позволяет защитить паяные поверхности от окисления в процессе пайки. Кроме того, покрытие в одних случаях облегчает процесс пайки, а в других служит барьером, предотвращающим такое нежелательное явление как появление трещин в металлах при пайке.
Нанесенные покрытия должны иметь прочное сцепление с паяемым материалом. При пайке и последующей работе паяного соединения покрытия не должны вздуваться и отслаиваться. Обычно используют следующие покрытия: медь, никель, серебро, кадмий, железо, олово, свинец и др.
К способам нанесения металлических покрытий относятся лужение натиранием или погружением, нанесение гальванических, химических, электроискровых покрытий, шоопирование, металлизационный способ сжигания покрытия, нанесение покрытия совместной прокаткой с паяемым металлом (плакировка), термовакуумный способ, нанесение покрытий в тлеющем разряде в ионизированном состоянии и др.
Однако всем этим способами свойственны недостатки, основной из которых - слабое сцепление (адгезия) между покрытием и подложкой (деталью). Кроме того, при лужении недостатком является сложность процесса нанесения покрытия и большая его трудоемкость. Недостатком при шоопировании является то, что оно наносится каплями. При этом капли металла могут окисляться. К тому же этим способом невозможно нанести покрытие в замкнутых объемах. Электроискровой способ малопроизводителен. Металлизационным способом невозможно нанести покрытие в замкнутых объемах. Плакировка не обеспечивает качество пайки, поскольку окислы Al2O3 на металле, вдавливаемые в металл и припой, при прокатке разрушаются и неравномерно происходит их накопление в зоне контакта металл-припой (см. Справочник по пайке под ред. И.Г. Петрунина, М., Машиностроение, 2003 г., с. 250-252).
Также известны различные способы нанесения на изделия из алюминия и его сплавов никелевых покрытий из гипофосфитных растворов, например, раскрытых в авторских свидетельствах SU 130760, SU 1664873. Такие покрытия являются защитно-декоративными и в указанных документах не описывается их использование для подготовки деталей из алюминиевых сплавов под пайку и улучшения паяемости. Согласно авторскому свидетельству SU 1664873 никелевое покрытие на алюминиевые сплавы может быть нанесено в качестве подслоя под другие покрытия и позволяет проводить механическую обработку изделия, сопровождающуюся деформацией поверхности, например, обжимку, развальцовку, без нарушения сплошности покрытия.
В авторском свидетельстве SU 1763523 описывается способ химического никелирования деталей из алюминия или его сплавов из гипофосфитного раствора в целях защиты от коррозии паяемых деталей, работающих в жестких климатических условиях. Однако в этом авторском свидетельстве нет указаний на то, что используемое никелевое покрытие оказывает какое-либо влияние непосредственно на процесс пайки.
В авторском свидетельстве SU 1657311 раскрыта подготовка под пайку корпусов СВЧ-модулей, выполненных из алюминиевых сплавов. Для улучшения смачиваемости и повышения стабильности паяемости перед пайкой на соединяемые детали наносят двухслойное покрытие с легированным подслоем на основе никеля. Компоненты внешнего слоя покрытия выбирают с меньшим сродством к кислороду, чем наиболее активный компонент легированного подслоя. Соотношение толщин слоев составляет 0,02-0,2. После нанесения внешнего слоя детали отжигают в интервале температур, при которых преобладает зернограничная диффузия легирующего компонента. Однако этот способ многостадийный и требует, помимо использования раствора химического никелирования, дополнительного нанесения гальванических покрытий поверх никелевого покрытия для подготовки деталей под пайку. Кроме того, в авторском свидетельстве SU 1657311 не раскрыта возможность использования данного способа для подготовки под пайку деталей теплообменников.
Предлагается способ подготовки деталей теплообменника из алюминиевых сплавов под пайку, включающий удаление окисной пленки с поверхности деталей, нанесение никелевого покрытия толщиной 5-7 мкм при температуре 85-90° С из раствора следующего состава, г/л: хлорид никеля 20-25, гипофосфит натрия 15-20, тиомочевина 0,001, борная кислота 5-15, молочная кислота 35-45, промывку в воде, сушку, нагрев до температуры 500 ± 10°С в вакууме, выдержку при этой температуре в течение 10-20 мин и последующее охлаждение, при этом скорость нагрева и охлаждения составляет 10-15°C в минуту.
Задачей предлагаемого изобретения является создание технологии подготовки поверхности деталей теплообменника из алюминиевых сплавов под пайку.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявленного изобретения, заключается в повышении качества сцепления покрытия с подложкой, обеспечивающего смачивание припоем подложки и равномерное растекание припоя по подложке при пайке теплообменников, способствующего качественному формированию паяного шва и защите паяного изделия от коррозии в условиях эксплуатации теплообменника.
Для достижения технического результата после удаления окисной пленки с поверхности деталей теплообменника – пластин и гофр из алюминиевых сплавов, наносят на них химическим путем никель толщиной 5-7 мкм. Окисную пленку Al2O3 с поверхности деталей удаляют в растворе NaOH, затем детали промывают в воде.
Для нанесения никелевого покрытия используется химическое никелирование в кислых растворах, позволяющих повысить скорость осаждения никеля и понизить тем самым содержание фосфора в покрытии. Раствор, используемый для нанесения никеля, включает в себя сульфит никеля, гипофосфит натрия, тиомочевину, борную кислоту, молочную кислоту и цитрат натрия. Гипофосфит натрия применяется в качестве восстановителя. Содержание фосфора, который всегда имеется в гипофосфите, лимитировали до его концентрации, составляющей 7-10%. Такое содержание позволяло улучшить условия формирования паяного шва при пайке теплообменника. Указанные компоненты и их содержание обеспечивали экспоненциальный характер нанесения покрытия. Для обеспечения стабильности процесса в кислый раствор введена тиомочевина.
Затем осуществляют термообработку пластин и гофр при температуре 500 ± 10°С в вакууме. Нагрев и охлаждение проводят со скоростью, не превышающей 10-15°C в минуту. Вертикальное размещение деталей из алюминиевого сплава, например, АМц, и медленная скорость нагрева позволяют равномерно прогревать детали по сечению и длине без деформации и, соответственно, изменения их геометрических размеров. Температура термообработки и выдержка обеспечивает плотность и чистоту покрытия благодаря испарению частиц влаги, находящихся в порах покрытия. Уплотнение покрытия достигается за счет процесса самодиффузии и взаимного обмена атомов алюминия и никеля между собой. Помимо этого, данный процесс приводит к достижению высокой адгезии между подложкой и никелевым покрытием. Никелевое покрытие обеспечивает не только защиту металла от коррозии, но и смачивание поверхности припоем и растекание припоя по подложке при пайке.
Обмен атомами между никелем и алюминием – элементом алюминиевого сплава, например, АМц - происходит благодаря сродству этих элементов. Об их сродстве свидетельствует диаграмма эвтектического состояния, эвтектика образуется при температуре 640°C (см. книгу Структуры двойных сплавов, М., Металлургиздат, 1962 г., с. 135).
Скорость охлаждения, составляющая 10-15°C, позволяет сохранить прочное сцепление, полученное в процессе нагрева деталей и их выдержки. Кроме того, применение термообработки позволяет обеспечить твердость покрытия 9-10 ГПа при достаточной пластичности покрытия. Такая твердость и высокая плотность покрытия обеспечивают коррозионную стойкость паяного теплообменника. Следует заметить, что химическое покрытие в сравнении с гальваническим обладает большой устойчивостью к воздействию щелочей, органических кислот, влаги и т.д.
Ниже приведен пример осуществления предлагаемого способа.
Пример 1. Детали теплообменника – пластины и гофры, изготовленные из алюминиевого сплава АМц, в отожжённом виде со снятой окисной пленкой поступают на покрытие никелем. Удаление окисной пленки Al2O3 с поверхности деталей осуществляют в растворе NaOH, затем детали промывают в воде. Для нанесения никелевого покрытия используется химическое никелирование в кислых растворах, позволяющих повысить скорость осаждения никеля и понизить тем самым содержание фосфора в покрытии. Состав гипофосфитного раствора включает (г/л): хлорид никеля 20-25, гипофосфит натрия 15-20, тиомочевина 0,001, борная кислота 5-15, молочная кислота 35-45; pH устанавливают равным 4,6-5, температура процесса 85-90° С, массовая доля фосфора в покрытии 7-10%.
Детали (пластины и гофры) с никелевым покрытием затем подвергали термообработке в печи с созданием вакуума 10-4 мм. рт. ст., скорость нагрева и охлаждения составляла 10-15°С в минуту. При проведении термообработки устанавливали температуру 500 ± 10°C, выдержка при ней составляла 10-20 минут. Детали подавали в печь в приспособлении вертикально подвешенными.
Контроль качества адгезии покрытия оценивали испытанием листового материала загибом на угол 90° до поломки образца. Случаев отслаивания покрытия не наблюдалось. Толщину никелевого покрытия контролировали с помощью металлографии, она находилась в заданных размерах - 5-7 мкм. Коррозионную стойкость покрытия оценивали путем испытаний листа с покрытием в искусственно созданной коррозионной среде, а также по данным поведения никелевого покрытия в естественных условиях их эксплуатации. Средой для испытаний служил паровой туман, созданный при испарении воды с растворенной поваренной в ней солью NaCl.
Нанесение никелевого покрытия было апробировано на множестве экспериментов, как на модельных, так и на натурных сборочных единицах. В результате было установлено, что использование никелевого покрытия обеспечивает полное растекание припоя по паяемым поверхностям и способствует формированию качественного паяного шва. Об этом свидетельствуют шлифы, вырезанные из паяного соединения и их металлографический анализ. Установлено, что паяный шов плотный, без пор и раковин.
Авторы: Семенов В.Н., Костычев В.И.