Kvasnickij_Pajka_mat

Дослідження поверхневого натягу рідин та розплавів

9.За даними дослідів побудувати графік залежності поверхневого натягу від температури σР,Г = f(Т).

10.За даними лабораторної роботи № 3 визначити поверхневий натяг олов’яно-свинцевого припою, використавши рівняння (4.2). Отримані результати порівняти з довідниковими.

Контрольні питання

1.Природа поверхневого натягу.

2.Сутність статичних методів визначення поверхневого натягу рідини.

3.Сутність методів лежачої краплі, підняття припою в капілярі, відриву кільця.

4.Що таке поверхнево-активна речовина?

5.Як впливає температура розплаву на його поверхневий натяг?

6.Як впливає поверхневий натяг припою на затікання його в капілярний зазор?

7.Які фактори сприяють розтіканню припою по поверхні паяння?

8.Яку роль відіграє поверхневий натяг у формуванні спаяного з’єднання?

9.Як впливає температура нагрівання припою на його поверхневий

натяг?

10.Чи змінюється поверхневий натяг припою під час паяння і чому?

51

Паяння матеріалів

Лабораторна робота № 5 ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ УТВОРЕННЯ ІНТЕРМЕТАЛІДНОГО

ПРОШАРКУ ПРИ ПАЯННІ

Мета роботи: вивчити методику дослідження процесу утворення інтерметалідних прошарків, їх властивості і вплив на формування з’єднань.

5.1. Короткі теоретичні відомості

Змочування основного металу рідким припоєм супроводжується розвитком дифузійних процесів на границі метал–припій, розчиненням основного металу в припої, утворенням нових фаз в зоні взаємодії припій–основний метал. Характер та результат цих процесів визначаються типом діаграм стану системи елементів, що входять до складу припою і основного металу, температурою, тривалістю взаємодії тощо.

Якщо припій містить елементи, які мають високу розчинність у твердому металі, то в зоні взаємодії буде формуватися твердий розчин зі змінною концентрацією елементів. Якщо елементи припою і основний метал утворюють між собою інтерметалідні сполуки, то в зоні взаємодії можуть утворюватися їх прошарки, формування яких залежить від температури і тривалості взаємодії.

Прошарки хімічних сполук розташовуються на границі основний метал–припій і завдяки їх низькій пластичності призводять до зниження механічних властивостей спаяного з’єднання. У ряді випадків такі прошарки сприяють розвитку дифузійної пористості вздовж границі спаяного шва.

Рівняння термодинаміки визначають можливість утворення інтерметалідних прошарків певного фазового складу, а кінетичні фактори

– механізм і конкретні результати взаємодії. 52

Дослідження процесу утворення інтерметалідного прошарку при паянні

Утворення і ріст прошарків при паянні мають місце лише у випадку, коли основний метал і припій утворюють хоча б одну хімічну сполуку. Це може відбуватися внаслідок:

хімічної реакції між основними металами і припоєм, коли швидкість утворення інтерметалідів більша швидкості їх розчинення в рідкій фазі;

дифузії елементів припою в основний метал і перебудови кристалічної ґратки твердого розчину в кристалічну гратку сполуки після досягнення межі розчинності;

збагачення припою елементами основного металу в зоні їх контакту і утворення прошарку хімічної сполуки при кристалізації рідкої фази.

Утворення інтерметалідних прошарків може відбуватися також при сукупній дії перерахованих механізмів. Це особливо стосується випадків паяння високолегованих сплавів багатокомпонентними припоями. Наприклад, на рис. 5.1 показано мікроструктуру спаяного з’єднання жароміцного нікелевого сплаву ЭП99 припоєм ВПр11 системи Ni–Cr–Si–B

Рис. 5.1. Мікроструктура з’єднання сплаву ЭП99, спаяного припоєм ВПр11;

х415

53

Паяння матеріалів

зутворенням у спаяному шві боридів і силіцидів, дисперсних боридів і карбидів в основному металі і припої (рис. 5.1,а), а також суцільного крихкого прошарку з поздовжньою тріщиною при паянні тим же припоєм

зтиском (рис. 5.1,б).

Якщо в процесі дифузії утворюється декілька інтерметалідних сполук у вигляді окремих прошарків, то товщина кожного з них збільшується з різною швидкістю. Утому випадку, коливпрошарку інтерметаліда маємісце лінійний характерзміниконцентраціїінаграницяхпрошаркуградієнтконцентрації∆Сє постійною величиною при даній температурі, рівняння першого закону дифузії (рівнянняФіка) маєвигляд

де dm – кількість елемента, що продифундував; D – коефіцієнт дифузії; S – площа поверхні, через яку проходить дифузія; ∆С/х – зменшення концентрації потовщиніпрошаркувнапрямкудифузії; dt – тривалістьдифузії.

З іншої сторони, якщо концентрацію на границі прошарку прийняти незмінною, то приріст товщини прошарку інтерметаліду буде пропорційний кількості продифундованого елемента, тобто

dm = aSdx , (5.2)

де a – коефіцієнт пропорційності; dx – приріст товщини прошарку. Прирівнявши праві частини рівнянь (5.1) та (5.2), отримаємо [6]

Після інтегрування рівняння (5.3) будемо мати x2 = 2D ∆aC t + A ,

де A – стала невизначеного інтегрування.

54

Дослідження процесу утворення інтерметалідного прошарку при паянні

Тоді

x2 = 2 pt,

тобто товщина шару інтерметаліду з часом зростає за параболічним законом. Параметр p характеризує швидкість дифузії. Він пропорційний коефіцієнту дифузії, і його розмірність – см2/с.

Коефіцієнт дифузії D залежить від температури T:

де D0 – постійна дифузії; ∆Hд – енергія активації дифузії; R – газова стала. Якщо підставити (5.5) в рівняння (5.4), то отримаємо

або, якщо добуток всіх постійних позначити через b, маємо:

δ2 =bexp − ∆Hд t .

RT

Аналіз наведених рівнянь показує, що утворення інтерметалідного прошарку є термічно активованим процесом. Оскільки ми прийняли, що приріст товщини інтерметалідного прошарку пропорційний кількості продифундованого елемента, то можна говорити про термічну активацію процесу росту прошарку і, відповідно, про енергію активації цього процесу Qn.

Поверхня твердого тіла має шершавість, різну кристалічну орієнтацію

зерен, дефекти кристалічної будови, хемосорбовані гази тощо. Внаслідок

55

Паяння матеріалів

цього інтерметалідні сполуки спочатку утворюються в окремих місцях поверхні розділу твердого металу і припою і утворюють окремі виступи інтерметалідів, що ростутьзі швидкістю більше, ніж середня [4].

Підготовчий період утворення прошарку хімічного з’єднання визначається кінетикою дифузійних процесів на цьому етапі та енергією активації утворення прошарку Qn [4]:

де k – константа, яка залежить від тривалості взаємодії елементів. Енергію активації процесу Qn можна визначити шляхом дослідження

тривалості підготовчого періоду утворення прошарку інтерметаліду t0 для двох різних температур T1 і T2 в припущенні, що енергія активації для них є незмінною. Якщо записати рівняння (5.6) для T1 і T2, поділити перше на друге, то отримаємо рівняння для визначення енергії активації

Швидкість та напрям росту інтерметалідного прошарку визначаються співвідношенням парціальних коефіцієнтів дифузії атомів твердого і рідкого металів через цей прошарок.

При досить великих значеннях енергії активації Qn і низьких температурах паяння період активації t0 до утворення помітного прошарку інтерметаліда може бути співмірним з тривалістю контакту припою з основним матеріалом (тривалістю паяння). У цьому випадку прошарки інтерметалідів мають дуже малу товщину і помітного впливу на механічні властивості спаяного з’єднання не чинять.

Дослідження періоду активації росту інтерметалідних прошарків і кінетики їх росту дозволяє правильно вибирати режим паяння, який забезпечує необхідні механічні властивості спаяних з’єднань.

56

Дослідження процесу утворення інтерметалідного прошарку при паянні

Дослідження швидкості росту прошарку хімічних з’єднань при паянні проводять відповідно до ГОСТ 21548–75.

5.2. Методика досліджень

Для визначення періоду активації при заданій температурі використовують метод послідовних наближень. Якщо в ізотермічних умовах контакту основного матеріалу і рідкого припою за час t1 металографічно виявляється інтерметалідний прошарок, то вибирається наступна витримка t2 = t1/2. При утворенні прошарку також і за цей проміжок часу зразок досліджується після витримки t3 = t2/2 і так далі. Якщо після витримки tn/2 прошарок не виявляється, то зразок досліджується після витримки 3/4 tn-1, поки не буде визначено максимальний час контакту основного матеріалу з рідким припоєм, при якому інтерметалідний прошарок тільки починає виявлятися металографічним шляхом при збільшенні х600.

Цей час у першому наближенні і приймається за період активації t0. Досліджується паяння титану припоями на основі нікелю або міді та контактно-реактивне паяння міді і алюмінію. При паянні титану припоями на основі міді на границі титан–припій утворюються інтерметаліди TiCu3 і Ti2Cu. З нікелем титан утворює інтерметалід TiNi, який при охолодженні перетворюється в Ti2Ni. При паянні міді і алюмінію зі сторони міді утворюється евтектика з температурою плавлення 1037 ºС, а зі сторони алюмінію – евтектика Al–CuAl2 з

температурою плавлення 548 ºС.

Твердість інтерметаліду визначається на мікротвердомірі ПМТ-3 при утворенні інтерметалідного прошарку достатньої товщини.

5.3.Обладнання і матеріали

1.Вакуумна піч СНВ-1.3.1/2011 або вакуумна установка УДСВ-ДТ, мікроскоп "Неофот-21", мікротвердомір ПМТ-3, обладнання, інструменти

і реактиви для приготування мікрошліфів.

57

Паяння матеріалів

2.Титан або титановий сплав і припої на основі нікелю або міді, мідь або її сплав, алюміній або його сплав.

3.Дослідні зразки квадратного перерізу 12х12 мм довжиною 20 мм та припої у вигляді фольги.

5.4.Порядок виконання роботи

1.Вивчити методику визначення періоду активації, енергії активації і швидкості росту інтерметалідних прошарків. Ознайомитись з конкретним завданням, вибрати обладнання, зразки, режим і скласти план досліджень.

2.Зачистити дрібнозернистим абразивним папером зразки із досліджуваних металів і фольгу припою та знежирити їх ацетоном або спиртом. Прискладанні зразків фольга припоюустановлюється міжними.

3.Усі дослідження цієї роботи виконуються в вакуумі 10-2 Па. Тому використовувати потрібно вакуумну піч або установку для дифузійного зварювання і паяння у вакуумі, де зразки нагрівають за вибраним режимом. Температуру контролювати хромель-алюмелевою термопарою, тривалість витримки – секундоміром.

4.Після охолодження зразків виготовити шліфи для виявлення інтерметалідних прошарків металографічним шляхом.

5.За отриманими даними побудувати графіки залежності періоду активації і швидкості росту інтерметалідного прошарку від температури.

Контрольні питання

1.Як впливають прошарки хімічних сполук на механічні властивості спаяних деталей?

2.Як можна обмежити ріст товщини інтерметалідних прошарків?

3.Що таке енергія активації утворення прошарків інтерметалідів?

4.Використовуючи діаграми стану, проаналізуйте можливі інтерметалідні утворення для даної пари металів.

58

Дослідження процесу утворення інтерметалідного прошарку при паянні

5.Що таке період активації утворення інтерметаліду?

6.В чому полягає метод послідовних наближень для визначення періоду активації утворення інтерметалідів?

7.Як впливає механічна обробка поверхні паяння на утворення інтерметалідних прошарків?

8.Як впливає шершавість поверхні основного металу, що контактує з припоєм, на період активації утворення інтерметалідів?

9.Які фактори впливають на швидкість збільшення товщини інтерметалідних прошарків?

59

Паяння матеріалів

Лабораторна робота № 6 ДОСЛІДЖЕННЯ РОЗЧИНЕННЯ ПРИПОЄМ ОСНОВНОГО МЕТАЛУ

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

6.1. 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 [4]. Явище контактнореактивного 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. 60