4.2. Методи дослідження розчинення металу припоєм

Існують різні методи дослідження ерозії основного металу в розплаві припою. При наявності відносно великого об'єму розплаву ерозію можна досліджувати за втратою маси зразка основного металу, зануреного в припій, віднесеної до одиниці поверхні зразка та одиниці часу взаємодії.

4.2.1. Визначення ерозії при паянні напусткових з'єднань

Для визначення ерозії матеріалів в умовах капілярного паяння внапусток рекомендується використовувати зразок, забражений на рис.4.4.

а б

Рисунок 4.4. Зразок для оцінки ерозії в умовах капілярного паяння: а - заготовки;

б - зразок, підготовлений до паяння; 1,2— нижня і верхня пластини відповідно; 3 - пластинки для фіксації зазору; 4 - припій

Зразок для дослідження складається із двох пластинок одного металу. Менша пластинка розмірами 20х20х(1,5...2,0) мм накладається на більшу 40х40х(1,5...2,0) мм. Зазор між ними встановлюється дротиками або полосками матеріалу, який не розчиняється в припої.

Припій виставляється біля зазору. Дослідження проводяться в умовах загального нагрівання в печі з обов'язковим контролем температури зразка термопарою, гарячий спай якої приварюється до пластинки.

Глибина ерозії оцінюється по макрошліфах на капілярній ділянці шва і на місцях галтелей.

Об'єм припою складає 3/2V_K, де V_K- об'єм капілярної ділянки шва.

За даними випробувань будують графіки залежностей глибини ерозії на місцях галтелей і на капілярній ділянці шва від тривалості паяння при різних температурах, величини зазору.

4.2.2. Визначення ерозії на зразках з глухим отвором

Використовується також метод оцінки схильності до ерозії за коефіцієнтом ерозії. Для цього використовують зразки з глухим отвором, як показано на рис. 6.5.

Рисунок 4.5. Форма зразка з глухим отвором (а) та переріз А-А після розчинення припоєм основного металу (б): 1 - основний метал; 2 - закристалізований розплав після розчинення припоєм основного металу з діаметром розчинення d_P

Внутрішню поверхню осьового отвору знежирюють спиртом або ацетоном, отвір на 2/3 висоти заповнюють припоєм. Зразок з припоєм і флюсом або у вакуумі нагрівають із заданою швидкістю до заданої температури. Температуру вимірюють термопарою, привареною до зразка.

Після паяння зразок розрізають по перерізу А-А і готують макрошліф.

Коефіцієнт ерозії к_с визначають за рівнянням

(4.1)

де S_o і S₁ - відповідно початкова площа перерізу отвору перед нагріванням та площа перерізу закристалізованого розплаву після розчинення основного металу.

Виконуючи дослідження при різних температурах та тривалості витримки, можна встановити вплив цих факторів на ерозію основного металу.

Зразки з глухим отвором використовуються для порівняльних випробувань різних припоїв. При цьому розміри зразків можуть бути різними. Наприклад, Лемб і Міллер досліджували розчинення жароміцних нікелевих сплавів на зразках з розмірами D = 12 mm, d= 4 мм, H=30 мм, h = 10 мм. В отворі розміщували припій масою 0,6 г. Після охолодження зразок розрізали, паралельно торцевій поверхні.

Проведенні в ПУК дослідження за описаною методикою показали, що глибина розчинення основного металу по висоті отвору змінюється. Крім того, визначення коефіцієнта ерозії через площі за формулою (4.1) не дозволяє визначити зміну концентрації елементів у розчиненому металі. Тому методику дослідження ерозії на зразках з глухим отвором було удосконалено [2].

Коефіцієнт розчинення визначали за рівнянням

(4.2)

де V_p - об'єм розплаву після розчинення основного металу; V_np - об'єм розплавленого припою; V_p - V_пр, - об'єм розчиненого металу.

Для дослідження рекомендуються зразки (див. рис. 4.5) з розмірами D = 20мм, d = 6 мм.H= 30 mm, h = 20 мм.

Після охолодження зразки розрізаються по діаметральній площині. Схему вимірювання показано на рис. 4.6.

З рис. 4.6 видно, що об'єм розплаву після розчинення основного металу можна знайти за рівнянням

де V_м - об'єм меніска; h_i та d_i інтервал і діаметр поділення зони розчинення; h_k і d_k- висота і діаметр виділеного елемента меніска.

Рисунок 4.6. Схема зразка, розрізанного по діаметральній площині, та схема вимірювання

Об'єм розплавленого припою V_пр, масою т_пр знаходиться через його

густину ρ_пр

Після підстановки в рівняння (6.2) відповідних значень отримаємо

Розглянемо розчинення твердого сплаву А в розплаві А-В на діаграмі плавкості, показаній на рис. 4.7.

Рисунок 4.7. Лівий кут діаграми плавкості системи А-В і концентрації елемента В при розчиненні рідиною А-В сплаву на основі металу А з незначною концентрацією елемента В

Припустимо, що в розплаві початкова концентрація елемента В дорівнює С₂, а концентрація в сплаві дорівнює С₁, тобто в сплаві А є невеликі домішки елемента В. Цифри 1 і 2 означають відповідно тверду і рідку фази. Якщо тверде тіло і рідина взаємодіють при температурі Т₁ то відповідно до рівноважної діаграми стану (див. рис. 4.7) на поверхні

розділу фаз повинні встановитися концентрації елемента В у рідині С₁ і в твердій фазі С₁, . Насправді на початку взаємодії при t = 0 концентрація

елемента В в твердій фазі значно менша і дорівнює С₁, а відповідно концентрація елемента А буде значно більшою рівноважної. Внаслідок градієнта концентрацій інтенсивно розвиваються взаємні дифузійні процеси. Оскільки швидкість дифузії в рідині значно вища, ніж швидкість дифузії в твердій фазі, то рідина збагачується основним металом, а міжфазна границя переміщується в тверду фазу. При цьому поступово на

міжфазній границі в твердій фазі повинна встановитися концентрація C₁ елемента В, що відповідає рівноважній діаграмі стану.

На рис. 4.7 показано лінію Т₀, що знаходиться між лініями солідусу T_s і ліквідусу T₁ та відповідає рівності термодинамічних потенціалів рідини і твердої фази. їх термодинамічні потенціали залежать від температури і концентрації елемента В. При температурі, нижчій за Т_о, термодинамічний потенціал твердої фази буде нижчий, ніж рідини. При постійній температурі T₁ рівність термодинамічних потенціалів твердої і рідкої фаз досягається при концентрації С_р елемента В. При концентрації елемента В, вищій за С_р (C_і(t)>C_p), термодинамічний

потенціал рідини нижчий, ніж твердої фази, більш стабільною є рідка фаза і навпаки. Зміну термодинамічних потенціалів твердої і рідкої фаз при утворенні рідких і твердих розчинів показано на рис. 4.8.

На рис. 4.8 при температурі Т₁ термодинамічний потенціал твердої фази системи А-В показує суцільна лінія l, а рідкої фази - штрихова лінія 2. Ці термодинамічні потенціали поєднані дотичною до них лінією ав. В

інтервалі концентрацій C₁-C₂ мінімальному значенню сумарного потенціалу (вільної енергії) системи відповідає співіснування рідкої і твердої фаз.

При кристалізації велику роль відіграє поверхня розділу твердої та рідкої фаз, що має мінімальну товщину (декілька атомних прошарків) з високою дефектністю будови. Термодинамічний потенціал цієї поверхні вільна поверхнева енергія Гіббса) вищий, ніж середній потенціал компонентів А-В між точками а і в. Це цілком відноситься також до діаграм стану з евтектикою α+β.

Рисисунок 4.8. Термодинамічні потенціали при температурі Т, твердої (l) і рідкої (2) фаз в системі А-В з безперервним рядом рідких і твердих розчинов

Потенціал поверхні залежить від температури, складу та її будови. Вільна енергія одиниці поверхні представляє собою поверхневий натяг, який, як і дифузійні процеси, є вирішальним в процесах кристалізації, що розвиваються на міжфазній поверхні. Поступове переміщення міжфазної поверхні в рідину призводить до кристалізації розплаву.

Якщо при паянні відбувається ізотермічна кристалізація припою, то розчинення основного металу визначається діаграмою стану розплаву. Розчинення буде протікати доти, поки концентрація елемента В в припої

не зменшиться до рівноважної концентрації С_р з врахуванням концентрації в рідини С₂ і в твердої фазі С₁.

Для зниження температури плавлення припоїв в них вводять спеціальні елементи, які називають депресантами. Вони утворюють з основою припою евтектики або розчини з наявністю мінімальної температури плавлення. Тому, переходячи до зального випадку розчинення при паянні, позначимо концентрацію депресанта в припої С_пр, концентрацію в основному металі - С₀, масу припою - т_пр, масу розчиненого основного металу т_ом. Тоді умова розчинення визначається рівнянням:

Якщо маси припою і розчиненого основного металу записати через їх об'єми і густину та скористатись рівнянням (4.2), отримаємо коефіцієнт розчинення

(4.3)

При відсутності депресанта в основному металі С₀ = 0, а замість С_р в літературі іноді записують C_s - концентрацію солідуса.

Таким чином, рівняння (4.3) дозволяє визначити коефіцієнт розчинення металу при відомій діаграмі стану припійної системи, щільностях основного металу і припою, початкових концентраціях депресанта в основному металі і припої та температурі паяння.

Концентрацію C_s можна визначити методом локального

рентгеноспектрального мікроаналізу прикристалізованого при даній постійній температурі прошарку твердого розчину до основного металу. Тоді коефіцієнт розчинення дорівнює.

(4.3а)

При заданому коефіцієнті розчинення можна визначити концентрацію будь-якого елемента в шві. Якщо відомі маса припою т_пр, маса розчиненого основного металу т_ом, початкові концентрації i-го елемента в припої С основному металі С , то за припущенням рівномірного розподілу елемента при ізотермічній кристалізації шва його концентрація С, знаходиться з рівняння масового балансу:

(4.4)

Якщо в рівнянні (6.4) маси замінити через відповідні об'єм і густину (т = V-p), врахувати, що об'єм розчиненого основного металу V_ом.= V_p - V_np, який за рівнянням (6.2) можна замінити на V_npK_р, то отримаємо рівняння

(4.5)

Наведені розрахунки можна легко виконати для рівноважних двокомпонентних систем. Для багатокомпонентних систем, зазвичай, необхідні данні відсутні, але аналіз рівняння (4.3) дозволяє встановити основні закономірності процесу розчинення.

Аналіз змін та співвідношення величин С_пр , С_s, С₀ для діаграм

стану з евтектиками і розчинами з наявністю мінімальної температури плавлення показує, що зменшенню розчинення основного металу сприяють відсутність або обмеження легування основного металу елементами-депресантами припою, легування припою основним металом, зменшення його розчинності в припої або введення в припої наповнювачів з основного металу, зменшення маси припою, зниження температури паяння. Суттєво впливає на процес розчинення крутизна ліній ліквідусу і солідусу припою (перша похідна ліній по концентрації депресанта). Для зменшення розчинення основного металу перевагу надають припоям на основі систем з розчинами замість евтектик. Зі збільшенням тривалості взаємодії рідкого припою з основним металом розчинення зростає.

Важливе значення для розчинення основного металу під час паяння має швидкість розчинення. Її залежність від температури при високотемпературному паянні може описуватись рівнянням

(4.6)

де v_p - швидкість розчинення, мг/(см²с); А_р - константа розчинення; ΔН_р енергія активації розчинення; Т - температура, К; R – універсальна газова стана.

Кінетика розчинення характеризується зміною концентрації основного металу в припої і, якщо розчинення лімітується дифузією атомів основного металу в рідині, вона може описуватись рівнянням:

(6.7)

де С - концентрація основного металу в припої в момент часу t; D - коефіцієнт дифузії атомів основного металу в розплаві припою, який часто приймають рівним 3-10^-5 см²/с; С_о - концентрація насичення

розплава припою основним металом; S - площа поверхні розчинення; δ- товщина міжфазного прошарку; V_p - об'єм розплавленого припою.

Якщо прийняти в початковий момент розчинення концентрацію основного металу в припої С = 0, то після інтегрування рівняння (4.7) отримаємо

(4.8)

Якщо швидкість розчинення залежить від швидкості переходу атомів основного металу в розплав припою і дифузії цих атомів у розплаві, то кінетичне рівняння має вигляд

(4.9)

Де - константа швидкості розчинення, що дорівнює

Wp/C₀ для першого випадку та D/δ- для другого випадку; W - імовірність переходу атомів основного металу в розплав припою;

ρ - поверхнева густина основного металу або число атомів на одиничній поверхні.

Рівняння (4.7)-(4.9) показують, що розплав припою насичується основним металом за експоненціальним законом.

Одним із динамічних методів дослідження ерозії є метод диска, що обертається з певною швидкістю в розплавленому металі. При достатній кількості розплаву розчинення диска відбувається практично без зміни складу розплаву. Ерозія визначається за втратою маси диска.