Artykuł "Przykłady zastosowania lutowania dyfuzyjnego" - Przegląd Spawalnictwa 4/2010

Przegląd Spawalnictwa 4/2010

Andrzej Winiowski
Maciej Różański


Wstęp
Szybko rozwijające się nowoczesne dziedziny przemysłu i gospodarki, takie jak budowa maszyn i urządzeń, lotnictwo, motoryzacja, energetyka itp. wymagają stosowania nowych materiałów inżynierskich, których właściwości sprostałyby ekstremalnym warunkom pracy. Często materiały te, ze względu na swoje właściwości fizykochemiczne, cechują się złą lub bardzo złą spawalnością i brakiem możliwości uzyskania połączeń o fizycznej ciągłości przez przetopienie brzegów materiału podstawowego. Konieczność ich łączenia wymaga więc zastosowania trudniejszych technicznie metod. Do najbardziej perspektywicznych metod łączenia nowoczesnych materiałów inżynierskich zalicza się m.in. lutowanie dyfuzyjne. Metoda ta łączy cechy zgrzewania dyfuzyjnego i lutowania, i jest definiowania najczęściej jako „proces lutowania, w którym mechanizm tworzenia się lutowiny oparty jest przede wszystkim na zjawisku dyfuzji pomiędzy materiałami łączonymi a lutem” lub też jako „proces lutowania, w którym zjawisko dyfuzji decyduje o składzie chemicznym i właściwościach fizycznych lutowiny, uzyskanej ze stopienia dodanego z zewnątrz lutu lub lutu powstałego   w wyniku dyfuzji na styku łączonych części” [1÷4]. Definicje te dokonują podziału procesu lutowania dyfuzyjnego na proces, w którym wykorzystuje się spoiwo dodawane z zewnątrz, lub podczas którego ciekły lut powstaje w wyniku wzajemnej dyfuzji składników spoiwa i materiału podstawowego. Zjawisko powstawania ciekłego lutu podczas procesu lutowania można zaobserwować tylko w przypadku układów materiałowych, których składniki (lub one same) tworzą fazowe   układy równowagi z mieszaniną eutektyczną lub z ciągłym roztworem stałym z minimum na linii likwidusu. Wówczas spoiwo w procesie lutowania stanowi stop   o składzie eutektycznym lub o składzie roztworu stałego z minimum [1÷4].W zależności od mechanizmu powstawania oraz budowy strukturalnej uzyskanego połączenia lutowanego, lutowanie dyfuzyjne dzieli się na lutowanie niskotemperaturowe (ang. diffusion soldering) i wysokotemperaturowe (ang. diffusion brazing). W pierwszym przypadku w wyniku dyfuzji składników lutu i materiału łączonego powstają fazy międzymetaliczne o temperaturach topnienia wyższych od temperatury, w której odbywa się proces lutowania. W drugim przypadku proces prowadzony jest w taki sposób, aby w złączu nie były obecne fazy międzymetaliczne, a obszar złącza był roztworem stałym lub ewentualnie mieszaniną eutektyczną [3, 5].W Instytucie Spawalnictwa od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania nad możliwością zastosowania lutowania dyfuzyjnego w procesach produkcji elementów sprzętu specjalistycznego, jak również badania nad możliwością zastosowania tego typu lutowania do łączenia nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych, w przypadku których prognozy przewidują intensywny rozwój i szerokie zastosowanie w zaawansowanych technicznie gałęziach przemysłu.
 
 
Przykłady lutowania dyfuzyjnego

Elektrycznych ślizgów miedziano-srebrnych

Jednym z pierwszych przypadków przemysłowego zastosowania w kraju lutowania dyfuzyjnego było
lutowanie miedziano-srebrnych ślizgów prądowych do produkowanych wówczas w kraju zgrzewarek liniowych [6]. Zespół tych ślizgów stanowił podstawowy element układu przenoszenia mocy zgrzewania na obrotowe wrzeciono elektrody krążkowej w zgrzewarce liniowej. Każdy ślizg wykonany był z miedzi (Cu-ETP wg PN-EN 1652:1999) z 2÷3 mm warstwą srebra (AG2 wg PN-H-82205:1970) po stronie współpracującej z wrzecionem. Srebro z miedzią tworzy układ równowagi fazowej o ograniczonej rozpuszczalności z eutektyką przy zawartości masowej 28,1% Cu, o temperaturze przemiany 779°C (rys. 1).W ramach realizowanej w Instytucie Spawalnictwa ekspertyzy badawczej nad lutowaniem wymienionych ślizgów zaprojektowano i wykonano stanowisko do indukcyjnego lutowania w warunkach próżni ok.10-1÷10-2 mbar. Parametry procesu lutowania dyfu zyjnego ślizgów dobrano tak, aby powstała w wyniku dyfuzji srebra i miedzi lutowina wykazywała zgodnie z układem równowagi fazowej Ag-Cu strukturę eutektyczną z granicznymi roztworami stałymi na granicach z materiałami łączonymi (rys. 2a, b). Należy dodać, że czas wytrzymania był oprócz temperatury i wzajemnego przylegania elementów łączonych (ciasne pasowanie) kluczowym parametrem procesu lutowania. Przeprowadzone badania pozwoliły na opracowanie szczegółowych parametrów lutowania i podjęcie wykonawstwa ślizgów dla krajowego producenta zgrzewarek liniowych.
 

 

 

Cyrkonowych wkładek z miedzianym korpusem elektrod plazmowych
 
Opracowanie i podjęcie produkcji w Zakładzie Doświadczalnym Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach przecinarek plazmowych wymusiło prace nad możliwością przedłużania trwałości katod do uchwytów plazmowych, wykonywanych przez wprasowywanie   w miedziany korpus wkładki cyrkonowej. Możliwości wydłużenia czasu użytkowania katod upatrywano w uzyskaniu metalicznie ciągłego połączenia pomiędzy korpusem a wkładką. W tym celu w Instytucie Spawalnictwa opracowano technologię lutowania dyfuzyjnego wkładek cyrkonowych z miedzianymi korpusami katod [7]. Miedź   z cyrkonem tworzy układ równowagi fazowej z mieszaninami eutektycznymi o temperaturach przemiany: 885, 890, 927, 965 oraz 995°C. Lutowanie dyfuzyjne wykonano w zakresie temperatur 900÷1000°C. Badania technologiczne prowadzono w piecu próżniowym, bez dodatku lutu, przygotowując elementy do lutowania przez klasyczne połączenie wciskowe między łączonymi elementami, a także przez zakuwanie wkładki cyrkonowej w ciasnym gnieździe korpusu. Drugą metodę przygotowania połączenia do lutowania uznano za korzystniejszą na podstawie eksploatacyjnych badań trwałości polutowanych katod. Opracowana technologia lutowania dyfuzyjnego pozwoliła uzyskać dobrą jakość połączeń na całej powierzchni styku wkładki i korpusu, a także wzrost czasowej trwałości katod   o ok. 20% (rys. 3).Miedzi i mosiądzu przez przekładkę cyny. Próby lutowania dyfuzyjnego miedzi (Cu-ETP) cyną (czystość 99,8%) wykonano w piecu próżniowym, stosując próbki cylindryczne ze zmienną szczeliną kapilarną w zakresie 0÷0,08 mm, temperaturę nagrzewania 750÷850°C i czas wytrzymania próbek w tej temperaturze 2÷3 h. Analiza strukturalna uzyskanych połączeń (rys. 4a) wykazała, zgodnie z układem równowagi fazowej Cu-Sn, występowanie w lutowinie kryształów roztworu stałego α (Sn w Cu) na tle eutektoidu złożonego z roztworu α i pozostałości kruchych faz międzymetalicznych δ. Jest to struktura wielofazowa, charakterystyczna dla brązu cynowego. Na granicy lutowiny z miedzią stwierdzono występowanie porowatości dyfuzyjnej (wynik sferoidyzacji i koagulacji, a także efektu Kirkendalla). Lutowanie dyfuzyjne mosiądzu (M63) cyną (czystość 99,98%) przeprowadzono w laboratoryjnym piecu elektrycznym do obróbki cieplnej, stosując płaskie próbki zakładkowe. Temperatura lutowania wynosiła 700÷750°C, a czas wytrzymania próbek w tej temperaturze 1÷2 h. Struktura uzyskanych połączeń (rys. 4b) składała się z roztworów stałych α (Cu-Zn-Sn) i pozostałości kruchych faz międzymetalicznych. W połączeniach stwierdzono występowanie wyższej niż w przypadku połączeń miedzi porowatości dyfuzyjnej i wzrastające wraz z czasem wytrzymania złączy w temperaturze lutowania ubytki erozyjne mosiądzu. Wyniki badań wskazały na możliwość zastosowania tej metody do elementów o stosunkowo niewielkich gabarytach i niewysokich wymaganych dotyczących właściwości plastycznych połączeń [8].
 
 
 
 
 
 
 
Aluminium i jego stopów z wykorzystaniem proszku krzemowego
 
W ramach pracy badawczej [9] wykonano próby lutowania dyfuzyjnego aluminium EN AW 1050   i jego stopu z manganem EN AW 3004 przy zastosowaniu mieszanki topnikowo-proszkowej, zawierającej niekorozyjny topnik (Nocolok frmy Solvay)   i proszek krzemowy jako depresant temperatury topnienia, tworzący z aluminium eutektykę o temperaturze topnienia 577°C przy zawartości masowej krzemu 11,7% (rys. 5).Podstawy tej metody przedstawił Timisit [10]. Badania prowadzono, nagrzewając złącza w piecu z atmosferą argonową pod obniżonym do 3,4 kPa ciśnieniem oraz indukcyjnie w atmosferze powietrza. W przypadku lutowania piecowego najkorzystniejszą jakość połączeń uzyskano, stosując temperaturę procesu w zakresie 590÷610°C i czas wytrzymania 8÷10 min. Analiza struktury tak uzyskanych połączeń dla aluminium i stopu Al-Mn wykazywała na obrzeżu połączenia warstwy roztworu stałego α, odpowiednio typu Al-Si i Al-Si-Mn, a w środkowej części mieszaninę eutektyczną, odpowiednio typu Al-Si (roztwór stały α + kryształy Si – rys. 6a) oraz typu Al-Mn-Si (roztwór stały α + Al15Mn3Si2 + kryształy Si – rys. 6b). Lutowiny stopu Al-Mn charakteryzowały się w porównaniu z lutowinami aluminium bardziej regularnymi krawędziami i mniejszą szerokością. Dobrą jakość wykazywały też połączenia wykonane indukcyjnie w atmosferze powietrza w temperaturze ok. 610°C i przy czasie wytrzymania 1÷3 s (dłuższy czas nagrzewania powodował gwałtowny przyrost objętości fazy ciekłej i deformację złącza).
 
 
 
 
 
 
Tytanu i jego stopów
 
W ostatnich latach coraz większym zainteresowaniem jako materiał konstrukcyjny cieszy się tytan i jego stopy. W Instytucie Spawalnictwa przeprowadzono próby i badania możliwości lutowania dyfuzyjnego tytanu Grade 2 oraz będącego ciągle w fazie opracowań jego stopu na osnowie fazy międzymetalicznej TiAl (γ) [11, 12]. Lutowaniu poddano próbki walcowe ułatwiając przeprowadzenie badań wytrzymałości na ścinanie i badań strukturalnych połączeń. Analizując układy równowagi fazowej tytanu z in-nymi metalami, do lutowania dyfuzyjnego użyto przekładki miedzianej, niklowej oraz ze stopu eutektycznego Ag-Cu (B-Ag72Cu-780). Proces prowadzono w piecu próżniowym w zakresie 10-4÷10-5 mbar. Stosowano temperaturę lutowania w zakresie 950÷1030°C oraz czas wytrzymania 1÷40 min (rys. 7). Wyniki badań wytrzymałości i struktury uzyskanych połączeń wskazywały na bardzo dużą reaktywność tytanu z metalami przekładek oraz bardzo dużą dynamikę zjawisk dyfuzyjnych, w znacznym stopniu zależną od temperatury. Maksymalna wytrzymałość na ścinanie połączeń lutowanych dla każdej ze stosowanych przekładek, tj.: miedzianej, niklowej oraz ze stopu eutektycznego Ag-Cu, wynosiła odpowiednio 303, 154 oraz 292 MPa. Na rysunku 8 podano przykładowe mikrostruktury połączeń tytanu Grade 2 lutowanych dyfuzyjnie z użyciem trzech wymienionych przekładek. Po wydłużeniu czasu lutowania powyżej 30 min przekładki: miedziana i ze stopu eutektycznego Ag-Cu uległy całkowitemu przereagowaniu, a uzyskane połączenia wykazywały charakterystyczną strukturę iglastą. Od połowy lat 90. ubiegłego wieku dużym zainteresowaniem konstruktorów i technologów cieszą się stopy na osnowie fazy międzymetalicznej Ti-Al, a zwłaszcza Ti3Al (α2) i TiAl (γ) oraz tzw. stopy typu „dupleks” zawierające obie te fazy. Stopy te tworzą nową generację tworzyw metalowych (tzw. intermetaliki), łączących cechy metali i ceramiki, a więc odpornych na korozję, żaroodpornych i żarowytrzymałych, o dużej twardości i zachowujących przy tym bardzo małą gęstość (3,8×103 kg/m3) [11]. W badaniach lutowania dyfuzyjnego prowadzonych w Instytucie Spawalnictwa zastosowano stop TiAl48Cr2Nb2 na osnowie fazy TiAl g, charakteryzujący się wysoką temperaturą topnienia (1460°C), dużą wytrzymałością względną, dobrą odpornością na pełzanie i utlenianie oraz odpornością na samozapłon. Wydłużenie tego stopu wynosi w temperaturze pokojowej zaledwie 1÷3 % i silnie zmniejsza się z zawartością nawet niewielkich ilości zanieczyszczeń. Lutowanie dyfuzyjne stopu TiAl48Cr2Nb2 prowadzono w próżni w zakresie 10-4÷10-5 mbar, temperaturze lutowania w zakresie 850÷1050°C z wykorzystaniem przekładki miedzianej i ze stopu eutektycznego Ag-Cu. Wytrzymałość na ścinanie tak wykonanych połączeń wynosiła 12÷150 MPa, w zależności od parametrów technologicznych procesu. Najkorzystniejsze właściwości wytrzymałościowe (149 MPa) połączeń wykonanych przy użyciu przekładki ze stopu eutektycznego Ag-Cu uzyskano dla czasu wytrzymania 1 min w temperaturze 900°C. Najwyższą wytrzymałość połączeń wykonanych przy użyciu lutu miedzianego (95 MPa) wykazały połączenia lutowane przy zastosowaniu temperatury 1050°C i czasu wytrzymania 1 min. Przykładowe mikrostruktury połączeń stopu TiAl-48Cr2Nb2 lutowanych dyfuzyjnie przedstawiono na rysunku 10.
 
 
 

 

 

 

Wnioski
 
Lutowanie dyfuzyjne zaliczane zwykle wraz ze zgrzewaniem dyfuzyjnym do grupy procesów objętych wspólną nazwą  spajanie dyfuzyjne, należy do perspektywicznych, poddawanych badaniom metod łączenia. Metoda ta jest coraz częściej wykorzystywana do łączenia „materiałów zaawansowanych technicznie”, do których zaliczane są nowoczesne nadstopy, stopy na osnowie faz międzymetalicznych, a także kompozyty o osnowie metalowej, szczególnie o osnowie z metali lekkich. Metoda ta znajduje również zastosowanie do łączenia metali lekkich, reaktywnych, a także do wykonywania połączeń różnoimiennych metali i stopów o zróżnicowanych właściwościach fizykochemicznych. Lutowanie dyfuzyjne w pewnych przypadkach jest wręcz jedyną metodą umożliwiającą uzyskiwanie połączeń o fizycznej ciągłości, spełniających stawiane wymagania wytrzymałościowe. Znajomość właściwości łączonych materiałów oraz zjawisk zachodzących podczas łączenia umożliwia modelowanie fizyczne i matematyczne procesów lutowania dyfuzyjnego i w efekcie sterowanie jakością i właściwościami eksploatacyjnymi połączeń [4, 13].
 
Literatura
 
[1] Praca zbiorowa. Spravočnik po pajkie. Mašinostrojenie,   Moskva, 1984.
[2] Łaško N.F., Łaško S.F.: Pajka metałłov. Mašinostrojenie,  Moskva, 1984.
[3] Praca zbiorowa pod red. Pilarczyka J.: Poradnik inżyniera. Spawalnictwo. Tom 2, WNT, Warszawa 2005.
[4] Tuah-Poku J., Kollar M., Massalski T.B.: A study of the transient phase bonding process applied to Ag/Cu/Ag sandwich joint. Metallurgical Transactions A, 1988, vol. 19A.
[5] Wojewoda J., Zięba P.: Lutowanie dyfuzyjne niskotemperaturowe. I: Aspekty strukturalne. Inżynieria Materiałowa 1/2004.
[6] Kuzio T., Winiowski A.: Lutownie ślizgów elektrycznych   do zgrzewarki liniowej. Orzeczenie Instytutu Spawalnictwa nr NN/106/74.
[7] Winiowski A., Czech J.: Zbadanie możliwości łączenia miedzianych i cyrkonowych elementów do palników plazmowych. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa   nr Db-21/1979.
[8] Winiowski A.: Lutowanie dyfuzyjne metali i stopów o różnych właściwościach. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa   nr Cc-48/ST-92.1/1996.
[9] Winiowski A.: Badania technologiczne dyfuzyjnego lutowania topnikowego aluminium. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa nr Gn/ST-160.1/2000.
[10] Timisit R.S., Janeway B.J.: Nowatorska technika lutowania twardego aluminium i innych metali. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa nr 2/1996.
[11] Winiowski A., Różański M.: Lutowanie dyfuzyjne tytanu i jego stopu z aluminium na osnowie fazy TiAl (gamma). Biuletyn Instytutu Spawalnictwa nr 5/2008.
[12] Winiowski A., Różański M.: Badanie właściwości mechanicznych i strukturalnych połączeń lutowanych tytanu i jego stopów oraz tytanu ze stalą nierdzewną. Praca badawcza Instytutu Spawalnictwa nr Dc - 19/ST 266.2/2009.
[13] Zhou Y., Gale W.F., Narth T.H.: Modeling of transient liquid phase bonding. International Materials Reviews 5/1995.
[14] Barabaš O.M., Kowal J.N.: Kristalličeskaja struktura metałłow i spławow. Naukowaja Dumka, Kijew 1986.