Kvasnickij_Pajka_mat

Дослідження розчинення припоєм основного металу

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 [4]. 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 Cr; 4,0…5,0 Si; 2,0…3,0 B; 0,5…0,6 C; 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 Cr; 5,0...7,0 W; 2,5...4,0 Mo; 1,7...2,2 Ti; 0,2...1,0 V; 2,4...2,9 Al. 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.

61

Паяння матеріалів

а

Рис. 6.1. Розчинення жароміцного сплаву ЭИ826 краплею припою ВПр11 при

б температурі 1200 °С:

а – х15; б – х340

(при друкуванні зменшено х 0,5)

а

Рис. 6.2. Розчинення жароміцного сплаву ЭИ826 краплею припою ВПр11 при температурі 1120 °С:

а – х15; б – х340

(при друкуванні зменшено х 0,5)

б

62

Дослідження розчинення припоєм основного металу

Температура плавлення евтектики Ni–Ni3Si дорівнює 1152 °С, а евтектики Ni–Ni3В – 1080 °С. Боридна евтектика має високу проникність по границях зерен. На рис. 6.1 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. 6.2.

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. 6.3 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.

63

Паяння матеріалів

а

Рис. 6.3. Ерозія сплаву ЭП99 при взаємодії з припоєм ВПр11 при температурі 1200 °С:

1 – припій; 2 – прикристалізована зона твердого розчину; 3 – зона виділення фаз на границях та в середині зерен; 4 – основний метал; 5 – проникнення боридної евтектики;

а – х15 (в темному полі); б, в – х340 (при друкуванні зменшено х0,5)

64

Дослідження розчинення припоєм основного металу

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.

6.2.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.

6.2.1. Визначення ерозії при паянні напусткових з’єднань

Для визначення ерозії матеріалів в умовах капілярного паяння внапусток рекомендується використовувати зразок, забражений на рис.6.4.

а

Рис. 6.4. Зразок для оцінки ерозії в умовах капілярного паяння:

а – заготовки; б – зразок, підготовлений до паяння;

1, 2 – нижня і верхня пластини б 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

65

Паяння матеріалів

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 3/2Vк, де Vк – 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.

6.2.2. 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.

а

б

Рис. 6.5. Форма зразка зглухим отвором (а) та переріз А–Апісля розчинення припоєм основного металу (б):

1 – основнийметал; 2 – закристалізованийрозплав післярозчинення припоємосновного металуздіаметромрозчиненняdР

66

Дослідження розчинення припоєм основного металу

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 kе визначають за рівнянням

де S0 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 мм, 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 НУК дослідження за описаною методикою показали, що глибина розчинення основного металу по висоті отвору змінюється. Крім того, визначення коефіцієнта ерозії через площі за формулою (6.1) 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

67

Паяння матеріалів

де Vp – об’єм розплаву після розчинення основного металу; Vпр – об’єм розплавленого припою; Vp – Vпр – об’єм розчиненого металу.

Для дослідження рекомендуються зразки (див. рис. 6.5) з розмірами

D = 20мм, d = 6 мм, H = 30 мм, h = 20 мм.

Після охолодження зразки розрізаються по діаметральній площині. Схему вимірювання показано на рис. 6.6.

З рис. 6.6 видно, що об’єм розплаву після розчинення основного металу можна знайти за рівнянням

де VM – об’єм меніска; hi та di інтервал і діаметр поділення зони розчинення; hk і dk – висота і діаметр виділеного елемента меніска.

Рис. 6.6.Схема зразка, розрізанного по діаметральній площині, та схема вимірювання

68

Дослідження розчинення припоєм основного металу

Об’єм розплавленого припою Vпр масою mпр знаходиться через його густину ρпр:

V = mпр .

пр 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. 6.7.

Рис. 6.7. 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 C2n , а концентрація в сплаві дорівнює C1n , 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 T1 то відповідно до рівноважної діаграми стану (див. рис. 6.7) на поверхні розділу фаз повинні встановитися концентрації елемента В у рідині C2p і в твердій фазі C1p . Насправді на початку взаємодії при t = 0 концентрація

69

Паяння матеріалів

елемента В в твердій фазі значно менша і дорівнює C1n , 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 C1p елемента В, що відповідає рівноважній діаграмі стану.

На рис. 6.7 показано лінію T0, що знаходиться між лініями солідусу Ts і ліквідусу TL та відповідає рівності термодинамічних потенціалів рідини і твердої фази. Їх термодинамічні потенціали залежать від температури і концентрації елемента В. При температурі, нижчій за T0, термодинамічний потенціал твердої фази буде нижчий, ніж рідини. При постійній температурі T1 рівність термодинамічних потенціалів твердої і рідкої фаз досягається при концентрації CP елемента В. При

концентрації елемента В, вищій за CP ( Ci (t)> CP ), 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. 6.8.

На рис. 6.8 при температурі T1 термодинамічний потенціал твердої фази системи А-В показує суцільна лінія 1, а рідкої фази – штрихова лінія 2. Ці термодинамічні потенціали поєднані дотичною до них лінією ав. В

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

70