Kvasnickij_Pajka_mat

Дослідження контактно-реактивного паяння

Лабораторна робота № 11 ДОСЛІДЖЕННЯ КОНТАКТНО-РЕАКТИВНОГО ПАЯННЯ

Мета роботи: вивчити суть та дослідити процес контактнореактивного паяння, визначити його особливості та застосування.

11.1.Короткі теоретичні відомості

Впроцесі контактно-реактивного паяння припій утворюється безпосередньо під час нагрівання до температури паяння внаслідок контактного плавлення матеріалів, їх покриттів або допоміжних прокладок. Контактне плавлення спостерігається між металами, що утворюють евтектики або тверді розчини, які плавляться при температурі, нижчій, ніж температура плавлення контактуючих металів. Схему взаємодії чистих металів А і В під час контактного плавлення наведено на рис. 11.1. Утворення рідини при температурі Т1 зумовлено намаганням системи до зменшення вільної енергії. Контактне плавлення можна розглядати як окремий випадок утворення проміжних фаз відповідно до діаграми стану сплавів під час дифузії металів у твердому стані.

Контактне плавлення складається із наступних стадій:

підготовчої, що полягає в утворенні по границі контакту твердих розчинів та (або) фаз евтектики;

стадії утворення зародків розплавлення, їх зростання; наступного контактного плавлення твердих контактуючих фаз в

рідині, що утворилася.

До підготовчої стадії входять процеси взаємодії в твердому стані на активних центрах (утворення хімічного зв’язку) і наступні процеси гетеродифузії. Оскільки взаємодія проходить при відносно високій температурі, ця стадія протікає швидко. На тих ділянках, де створені

121

Паяння матеріалів

умови для дифузії, через деякий проміжок часу утворюються зони, в яких досягаються концентрації C2 і C3 (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Діаграма стану евтектичного типу (при T = T1 показано концентрації під час контактного плавлення)

Утворені стійкі зародки фази будуть зростати внаслідок розчинення в них основного металу.

Присутність оксидів на поверхні металів суттєво впливає на швидкість поширення рідкої фази та кінетику контактного плавлення. Тривалість першої фази незначна (від сотих до десятих секунди).

Для процесу паяння має велике значення кінетика переміщення міжфазних границь. Нехтуючи процесами взаємодії у твердому стані і процесами утворення мікрозародків рідкої фази, вважають, що в момент часу t = 0 при температурі Т1 утворюється нескінченно тонкий прошарок рідини l3 і розподіл компонентів у системі відповідає наведеному на рис. 11.1. Вводиться характерне для більшості систем припущення, що розчинення лімітується швидкістю дифузії в рідині, а не швидкістю переходу атомів твердої речовини в рідину.

122

Дослідження контактно-реактивного паяння

При контактно-реактивному плавленні можна виділити п’ять ділянок, показаних на рис. 11.2.

Розглянемо зміну концентрації компонента В в А зліва направо за діаграмою стану.

Рис. 11.2. Схематичне відтворення розподілу концентрацій під час контактного плавлення двох напівнескінченних тіл із компонентів А і В

На довжині зразка l1 (твердий розчин на основі А) спостерігається збільшення концентрації компонента В в А від C0 до C1. Ділянка зразка l2 знаходиться в твердорідкому стані (між лініями солідусу і ліквідусу), і на ній спостерігається збільшення концентрації компонента В в А від C1 до C2. Ділянка l3 – прошарок сплаву (рідка фаза), що виконує роль припою, в якому спостерігається збільшення концентрації компонента В в А від C2 до C3. Ділянка зразка l4 знаходиться в твердорідкому стані (між лініями ліквідусу і солідусу), і на ній спостерігається збільшення концентрації компонента В від C3 до C4. На довжині зразка l5 (твердий розчин на основі В) концентрація компонента В зростає від C4 до C5.

Необхідно відзначити, що швидкості руху міжфазних границь vA і vB можуть суттєво відрізнятись між собою, що необхідно враховувати під час конструювання спаяних з’єднань. Так, під час паяння Zr зі сталлю більш інтенсивно розчинюється Zr в рідині, що обмежує використання Zr в конструкціях у вигляді фольги.

123

Паяння матеріалів

Контактне плавлення можливе також при взаємодії елементів, які входять до складу сплавів, що контактують. При цьому рідка фаза утворюється в першу чергу в місцях дефектів структури: границі зерен, субграниці зерен і т. п., що пов’язано з суттєво більшим коефіцієнтом дифузії в цих місцях. Процес контактного плавлення залежить також від кристалографічного орієнтування граней контактування, що пояснюється різною енергією цих граний.

Висока змочувальна здатність утвореної при контактно-реактивному плавленні рідкої фази дає можливість здійснювати контактно-реактивне паяння деяких металів при великій швидкості нагрівання без флюсів на повітрі або в слабоокиснювальній атмосфері.

Контактне плавлення може здійснюватися як при безпосередньому контакті металів, так і з використанням проміжних прокладок або покриттів на одній або обох поверхнях паяння. Основною технологічною особливістю контактно-реактивного паяння є необхідність регулювання кількості рідкої фази – товщина її повинна бути мінімальною. Це пов’язано з тим, що шов може бути недостатньо пластичним, особливо у разі утворення інтерметалідів.

Для здійснення контактно-реактивного паяння необхідні дані щодо температури плавлення та (або) складу найбільш легкоплавкої евтектики системи. Для подвійних систем елементів ці дані отримують із відповідних діаграм стану (дивись діаграми у додатку).

Контактно-реактивне паяння можна здійснювати при температурі, на 35...50 °С вищій температури плавлення евтектики компонентів припою і основного металу.

В лабораторній роботі досліджується контактно-реактивне паяння алюмінію через фольгу міді та нікелю (нікелевого однофазного сплаву) через прошарок кремнію. Діаграми стану систем Cu–Al і Ni–Si наведено в додатку. При паянні нікелевого сплаву доцільно користуватися діаграмою плавкості системи Ni–Cr–Si, наведеною на рис. 11.3.

124

Дослідження контактно-реактивного паяння

Рис. 11.3 показує можливість використання прошарку кремнію для паяння нікелевих сплавів і сталей при температурі, дещо вищій температури ліквідусу в точці, що відповідає вмісту кремнію 11,8 % (мас.). Після утворення евтектики наступна витримка при температурі паяння буде сприяти ізотермічній кристалізації внаслідок зменшення концентрації кремнію в розплаві із-за його дифузії в основний метал і збагачення припою компонентами основного металу внаслідок його розчинення. Протікання та механізм цих процесів розглянуто в ЛР № 9.

Рис. 11.3. Зміна температури ліквідусу в системі Ni–Cr–Si залежно від масової

долі кремнію:

□– 19 % Cr; ○ – 20 % Cr;

∆– 21 % Cr

Усистемі Cu–Al евтектика зі сторони алюмінію має температуру плавлення 584 ºС при концентрації міді 61,0 % (мас.). Її утворюють Al та

Al2Cu (θ-фази).

11.2.Обладнання та матеріали

1.Обладнання, прилади, матеріали, зразки, реактиви тощо для паяння алюмінію через фольгу міді ті самі, що в ЛР № 5.

2.Мідна фольга товщиною 0,01 мм.

3.Зразки нікелевого сплаву ЭИ602 розмірами 12х12х20 мм.

125

Паяння матеріалів

4.Порошок кремнію.

5.Обладнання, прилади, реактиви для паяння сплаву ЭИ602 ті самі, що в ЛР № 9.

11.3.Порядок виконання роботи

1.Вивчити суть і особливості контактно-реактивного паяння, отримати завдання, розробити план досліджень, вибрати режими паяння..

2.Підготовку зразків до паяння проводити, як в ЛР № 5 та 9.

3.Складені зразки паяти у вакуумі 10-2 Па на установці УДСВ-ДТ. Визначити температуру утворення рідкої фази. Витримувати зразки при температурі паяння 3 і 10 хв. Паяння алюмінію провести при температурах 560 та 610 ºС.

4.Після паяння зразків розрізати їх навпіл перпендикулярно до поверхні шва, виготовити мікрошліфи і дослідити мікроструктуру, як у попередніх роботах. Вивчити структуру та розподіл мікротвердості металу спаяних з’єднань по лінії, перпендикулярній поверхні шва.

5.Виготовити фотографії мікроструктури з’єднань, провести їх аналіз та зробити висновки.

Контрольні питання

1.Що таке контактно-реактивне плавлення?

2.Суть процесу контактно-реактивного паяння.

3.Які умови необхідні для контактно-реактивного паяння?

4.Яким чином регулюється об’єм розплавленого металу?

5.Основні стадії контактно-реактивного паяння.

6.Як впливають температура і тривалість паяння на структуру металу спаяного з’єднання?

7.Як визначити товщину шва при контактно-реактивному паянні через фольгу припою за допомогою діаграми стану для двокомпонентної системи?

126

Дослідження контактно-реактивного паяння

8.Порівняйте товщину шва при контактно-реактивному і капілярному паянні.

9.З якою метою наносяться покриття на поверхні з’єднань перед паянням?

10.У яких випадках обмежується товщина складових, що піддаються контактно-реактивному паянню?

11.Яку функцію відіграють прокладки, що можуть вводитися в

паяльний зазор?

127

Паяння матеріалів

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1.Квасницький В.В. Спеціальні способи зварювання: Навчальний посібник. – Миколаїв: УДМТУ, 2003. – 437 с.

2.Квасницкий В.Ф. Сварка и пайка жаропрочных сплавов в судостроении. – Л.: Судостроение, 1986. – 224 с.

3.Квасницкий В.Ф. Специальные способы сварки и пайка в судостроении. – Л.: Судостроение, 1984. – 224 с.

4.Лашко С.В., Лашко Н.Ф. Пайка металлов. – 4-е изд., перераб. и доп.

–М.: Машиностроение, 1988. – 376 с.

5.Миссол В. Поверхностная энергия раздела фаз в металлах: Пер. с польск. – М.: Металлургия, 1978. – 176 с.

6.Николаев Г.А., Ольшанский Н.А. Специальные методы сварки. – М.: Машиностроение, 1975. – 232 с.

7.Пацкевич И.Р., Рябов В.Р., Деев Г.Ф. Поверхностные явления при сварке металлов. – К.: Наукова думка, 1991. – 240 с.

8.Петрунин И.Е., Лоцманов С.М., Николаев Г.А. Пайка металлов. –

М.: Машиностроение, 1973. – 280 с.

9.Попель С.И. Кинетика растекания припоев по твердым поверхностям и кинетика смачивания // Адгезия расплавов и пайка материалов. – 1976. – № 1. – С. 3-23.

10.Справочник по пайке / Под ред. И.Е. Петрунина. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2003. – 480 с.

11.Справочник по пайке / Под ред. С.Н. Лоцманова, И.Е. Петрунина, Фролова В.П. – М.: Машиностроение, 1975. – 407 с.

128

Додатки

ДОДАТКИ

Додаток А

ВИЗНАЧЕННЯ ДІЙСНОГО ЗНАЧЕННЯ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ ВЕЛИЧИНИ.

Дослідження кожної лабораторної роботи передбачає декілька вимірювань одного і того показника. При цьому може спостерігатися деяка розбіжність отриманих даних. Для визначення дійсного значення вимірюваного показника та його точності розглянемо n незалежних вимірювань, результатами яких є значення a1, a2, …, an. Вони не включають у себе грубих помилок, а на системні похибки введені поправки. Оцінимо значення вимірюваної величини a.

Середньоарифметичне значення a величини дорівнює:

a = 1 ∑n ai ; n i=1

∆a = 1 ∑n ∆ai . n i=1

Абсолютна похибка i-го вимірювання дорівнює:

∆ai = a −ai .

Абсолютні похибки ∆a1, ∆a2, …, ∆an можуть бути як додатні, так і від’ємні.

Абсолютна похибка ∆a середньоарифметичного значення дорівнює:

∆a = a −a ,

а дійсне значення a визначається рівнянням

a = a + 1 ∑n ∆ai . n i=1

Інтервал a −∆a, a + ∆a називається довірчим інтервалом. Надійністю результату серії вимірювань називається імовірність α

того, що дійсне значення a попаде в даний довірчий інтервал. Величина α

129

Паяння матеріалів

визначається в долях одиниці або у відсотках і залежить від кількості вимірювань n, а також величини заданої похибки ∆a .

При нескінченій кількості вимірювань a = a , тобто ∆a = 0 , але при обмеженій кількості вимірювань між a та a будуть розбіжності. У більшості випадків імовірність появи величини ai визначається законом нормального розподілу Гаусса. Для нормального розподілу характерні два параметри: генеральне середнє значення випадкової величини та

дисперсія.

Генеральне значення є таке значення, відносно якого спостерігаються відхилення випадкових величин. Дисперсія σ2 характеризує швидкість зменшення похибки ∆ai при збільшенні величини цієї похибки. При великій кількості вимірювань величина дисперсії σ2 дорівнює середньому квадрату похибки окремого вимірювання

Корінь квадратний з дисперсії вибірки ∆Sn2 , тобто значення ∆Sn ,

називають середньоквадратичною похибкою окремого виміру:

Дисперсія вибірки Sa2 серії з n вимірювань в n раз менше вибіркової дисперсії ∆Sn2 окремого результату:

130