Мета роботи: вивчити методики дослідження здатності припою до розчинення основного металу.

4.1. Короткі теоретичні відомості

Плавлення твердих металів у зоні їх контакту при температурі, яка вища температури плавлення евтектики або мінімальної температури плавлення їх твердих розчинів але нижча температури автономного плавлення більш легкоплавкого з них, називають контактним. За пропозицією С.В. Лашко і Н.Ф. Лашко контактне плавлення металів, які утворюють евтектику, називають контактно-реактивним внаслідок особливих властивостей евтектичних сплавів. Явище контактно-реактивного плавлення лежить в основі контактно-реактивного паяння. При цьому тверді метали переходять у рідку фазу, яка відіграє роль припою. Цей процес пов'язаний з дифузійними процесами і може продовжуватись до досягнення такого складу рідини, при якому температура плавлення стане вищою від температури паяння.

Аналогічні процеси можуть відбуватися при паянні готовим припоєм. На границі твердого металу і розплавленого припою внаслідок наявності градієнта хімічного потенціалу (градієнта концентрацій) розвиваються взаємні дифузійні процеси. Коли атоми основного металу переходять в розплав припою, то відбувається розчинення основного металу в припої. Інтенсивність цього процесу залежить від швидкості дифузії атомів у твердому пограничному прошарку та розплаві. Кінетика розчинення основного металу в розплавленому припої залежить від властивостей взаємодіючих металів, кількості рідини, температури, тривалості взаємодії тощо.

Розчинення може відбуватися в статичних умовах взаємодії, коли розплав не переміщується відносно поверхні твердого тіла, або в динамічних умовах взаємодії - розплав рухається відносно поверхні твердого тіла.

Руйнування основного металу внаслідок розчинення його в розплаві припою називається хімічною ерозією. На відміну від корозії в рідких середовищах, що має електромеханічну природу, процес контактно-реактивного плавлення має хімічний механізм і проходить шляхом розчинення основного металу.

При паянні металів розрізняють три види ерозії:

1. Загальна (фронтальна) ерозія, коли всі компоненти твердого сплаву розчиняються в рідкому припої по всій поверхні розділу з постійною або мало відмінною швидкістю в різних місцях контакту.

2. Вибіркова ерозія, коли в рідкій фазі вибірково розчиняються деякі компоненти твердого сплаву.

3. Локальна ерозія, коли в окремих місцях контакту твердого сплаву з рідким припоєм ерозія проходить зі значно більшою швидкістю.

Розчинення основного металу по границі зерен називається міжкристалітною ерозією при паянні.

Розчинення жароміцного нікелевого сплаву ЭИ826 припоєм ВПр11 показано на рис. 6.1 і 6.2.

Припій ВПр11 має хімічний склад, % (мас): 14,0...16,0 Сr; 4,0...5,0 Si; 2,0...3,0 В; 0,5...0,6 С; 3,0...5,0 Fe; Ni - основа, тобто основою припою є система Ni-Cr-Si-B. Нікелевий сплав ЭИ826 є складнолегованим і містить, % (мас): 13... 16 Сr; 5,0...7,0 W; 2,5...4,0 Мо; 1,7...2,2 Ті; 0,2...1,0 V; 2,4...2,9 А1. Усі ці елементи, крім алюмінію, мають високу спорідненість до кремнію, бору та вуглецю, відповідно утворюють бориди, силіциди та карбіди.

Основа сплаву - нікель утворює евтектики з кремнієм та бором.

а

б

Рисунок 4.1. Розчинення жароміцного сплаву ЭИ826 краплею припою ВГТр11 при температурі 1200 °С: а-х15; б-х340 (при друкуванні зменшено х 0,5)

а

б

Рисунок 4.2. Розчинення жароміцного сплаву ЭИ826 краплею припою ВПр11 при температурі 1120 °С: а-х15; б - х340 (при друкуванні зменшено х 0,5)

Температура плавлення евтектики Ni-Ni₃Si дорівнює 1152 °С, а евтектики Ni-Ni₃B - 1080 °С. Боридна евтектика має високу проникність по границях зерен. На рис. 4.1 спостерігаються всі види ерозії. Мікроструктура має також бориди тугоплавких металів як в зоні розчинення основного металу, так і по границях його зерен.

При температурі 1120 °С хімічні сполуки є більш стабільними і, утворюючи суцільний прошарок в зоні взаємодії припою з основним металом, блокують розчинення основного металу, що чітко видно з рис. 4.2.

Підвищення температури до 1200 °С призводить не лише до розчинення основного металу, але і до глибокого проникнення припою в основний метал, особливо по границях зерен, оскільки хімічні сполуки розчиняються і не блокують цей процес. На рис. 4.3 наведено структуру металу після розчинення при температурі 1200 °С сплаву ЭП99 припоєм ВПр11, який було розплавлено в глухому отворі зразка.

Сильна ерозія матеріалу в рідкому припої призводить до зменшення ефективної товщини основного матеріалу, утворення підрізів в галтельних ділянках паяних швів і, як результат, знижує механічні властивості спаяних з'єднань. Вона може також зовсім зруйнувати тонкостінні елементи виробу.

Під час паяння в результаті інтенсивної ерозії можуть сильно змінюватися інтервал кристалізації паяного шва, здатність рідкого припою до розтікання і заповнення зазорів, форма і розміри окремих елементів запаяного з'єднання, утворюватися дефекти шва (непропаї, пори, тріщини тощо).

Ерозія основного металу в рідкому припої проходить на границі твердої і рідкої фаз і визначається термодинамічними і кінетичними факторами. Перші визначають напрям процесу, другі - швидкість процесу розчинення.

Рисунок 4.3. Ерозія сплаву ЭП99 при взаємодії з припоєм ВПр11 при

температурі 1200 °С:

1 - припій; 2 - прикристалізована зона твердого розчину; 3 - зона виділення фаз на гранищх та в середині зерен; 4 - основний метал; 5 - проникнення боридної евтектики; а - х15 (в темному полі); б, в - х340 (при .друкуванні зменшено х0,5)

Розчиненню основного металу в розплаві припою сприяють:

збільшення тривалості контакту;

підвищення температури;

збільшення граничної концентрації основного металу в припої;

збільшення об'єму розплаву.

Ерозія при паянні зменшується зі збільшенням легування припою елементами основного матеріалу.