Kvasnickij_Pajka_mat

Дослідження розчинення припоєм основного металу

(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.

Рис.6.8. Термодинамічні потенціали при температурі T1 твердої (1)

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 CP з врахуванням концентрації в рідини Cn2 і в твердої фазі C1n .

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 Cпр ,

концентрацію в основному металі – С0 , масу припою – mпр, масу

71

Паяння матеріалів

розчиненого основного металу mо.м. Тоді умова розчинення визначається рівнянням:

mпр Cпр + mомCo = C .

mпр + mом P

Якщо маси припою і розчиненого основного металу записати через їх об’єми і густину та скористатись рівнянням (6.2), отримаємо коефіцієнт розчинення

в літературі іноді записують CS – концентрацію солідуса.

Таким чином, рівняння (6.3) 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 CS можна визначити методом локального рентгеноспектрального мікроаналізу прикристалізованого при даній постійній температурі прошарку твердого розчину до основного металу. Тоді коефіцієнт розчинення дорівнює:

концентрацію будь-якого елемента в шві. Якщо відомі маса припою mпр, маса розчиненого основного металу mо.м, початкові концентрації і-го елемента в припої Ciпр основному металі C , то за припущенням

рівномірного розподілу елемента при ізотермічній кристалізації шва його концентрація Ci знаходиться з рівняння масового балансу:

72

Дослідження розчинення припоєм основного металу

Якщо в рівнянні (6.4) маси замінити через відповідні об’єм і густину (m = V·ρ), врахувати, що об’єм розчиненого основного металу Vо.м= Vр – Vпр, який за рівнянням (6.2) можна замінити на VпрKр, то отримаємо рівняння

Наведені розрахунки можна легко виконати для рівноважних двокомпонентних систем. Для багатокомпонентних систем, зазвичай, необхідні данні відсутні, але аналіз рівняння (6.3) дозволяє встановити основні закономірності процесу розчинення.

Аналіз змін та співвідношення величин Cпр , CS , 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

73

Паяння матеріалів

де vp – швидкість розчинення, мг/(см2·с); Ap – константа розчинення; ∆Hp – енергія активації розчинення; T – 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 [8]

δ – товщина міжфазного прошарку; Vp – об’єм розплавленого припою. Якщо прийняти в початковий момент розчинення концентрацію

основного металу в припої С = 0, то після інтегрування рівняння (6.7) отримаємо

Якщо швидкість розчинення залежить від швидкості переходу атомів основного металу в розплав припою і дифузії цих атомів у розплаві, то кінетичне рівняння має вигляд [8]

W – імовірність переходу атомів основного металу в розплав припою; 74

Дослідження розчинення припоєм основного металу

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

Рівняння (6.7)...(6.9) 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.

6.3.Обладнання і матеріали

1.Піч вакуумна СНВ-1,3.1/20И1, установка для дифузійновакуумного зварювання УДСВ-ДТ для дослідження нікелевих припоїв; робоче місце для паяння газовим полум’ям при дослідженні мідних припоїв; камерна або шахтна піч для паяння низькотемпературними припоями.

2.Зразки досліджуваних матеріалів, показані на рис. 6.4 і 6.5. Матеріали напусткових з’єднань: мідь, низьковуглецева сталь, хромонікелева аустенітна сталь, жароміцний нікелевий сплав. Зразки з глухим отвором виготовляються з жароміцного нікелевого сплаву.

3.Досліджувані припої: оловяно-свинцеві, мідні та нікелеві типу ПОС40, ПОС61, ПМЦ36, ЛОК59-1-03, НС12, ВПр11, ВПр11-40Н. Припої визначає викладач, флюси вибирає студент.

4.Термопари.

5.Оптичний мікроскоп або інструментальний мікроскоп.

6.Відрізний верстат.

7.Шліфувальний верстат.

8.Інструменти: абразивний папір, полірувальна паста, ацетон, серветка, калька з міліметровою сіткою, розчин Васильєва або інший реактив для травлення макрошліфів.

75

Паяння матеріалів

6.4.Порядок виконання роботи

1.Вивчити методику роботи, отримати конкретне завдання, розробити план досліджень, вибрати обладнання, зразки, припої, режими тощо.

2.Підготувати зразки та припої для досліджень.

3.Скласти напусткові з’єднання, як показано на рис. 6.4.

4.Заповнити на 1/2…2/3 висоти припоєм глухий отвір зразків, показаних на рис. 6.5. Дозована порція припою 0,3–0,4 см3. При проведенні досліджень у відкритій печі отвір заповнюється на 1/2 висоти припоєм, а потім на 1/4 висоти флюсом.

5.Зразки з нікелевими припоями помістити у вакуумну камеру, зразки з низькотемпературними припоями – у камерну або шахтну піч (піч повинна бути завчасно нагріта до температури досліду). У вакуумній камері температуру контролюють термопарою, привареною до зразка. Зразки з мідними припоями нагрівають газовим полум’ям до розплавлення припою. Температуру зразків контролюють термопарою.

6.Створити у вакуумній камері вакуум 10-2 Па, нагріти зразки до заданої температури і витримати при ній протягом визначеного часу.

7.Після охолодження розрізати зразки напусткових з’єднань та зразки з глухим отвором по перерізу А-А, виготовити макрошліфи і провести вимірювання. Вимірювання розчинення напусткових з’єднаннях проводяться на капілярній ділянці і місцях галтелей, а на зразках з глухим отвором – відповідно до рис. 6.5.

8.Розрізати макрошліфи по діаметральній площині, виготовити нові макрошліфи по поверхні різання та вивчити рівномірність розчинення основного металу по висоті зразка. При нерівномірності розчинення визначити середнє значення по висоті.

9.Оцінити за рівнянням (6.1) схильність до ерозії основного металу в розплавленому припої.

76

Дослідження розчинення припоєм основного металу

10.При дослідженні припою НС12, користуючись діаграмою стану системи Ni–Si, розрахувати при 1200 ºС коефіцієнт розчинення нікелю за рівнянням (6.3а) та концентрацію нікелю в шві при ізотермічній кристалізації шва за рівнянням (6.5). Результати розчинення порівняти з експериментальними для жароміцного сплаву.

11.За даними дослідів виготовити фотографії макрошліфів та побудувати графіки залежності коефіцієнта ерозії від температури при постійній тривалості витримки kе = f(T).

Завдання досліджень за іншими методиками визначає викладач в індивідуальному порядку. Вони виконуються студентами в рамках науково-дослідної роботи поза розкладом.

Контрольні питання

1.Що таке ерозія металу в припої?

2.Які методи використовують для оцінки ерозії?

3.Які фактори впливають на процеси ерозії?

4.Як впливає ерозія на якість паяних з’єднань?

5.Способи зменшення ерозії.

6.Чим відрізняється ерозія від корозії металу?

7.Які види ерозії можуть спостерігатися під час паяння металів?

8.Що таке міжкристалічна ерозія?

9.Які фактори сприяють розвитку ерозії металу під час паяння?

10.Які дефекти спаяного з’єднання є наслідком ерозії?

11.Як можна зменшити ерозію металу під час паяння?

12.Як оцінюється схильність металу до ерозії?

13.Чому міжфазна границя переміщується в рідину?

14.Що таке ізотермічна кристалізація металу шва?

15.Яку роль відіграють депресанти під час паяння?

16.Як можна визначити концентрацію елементів в паяному шві двокомпонентної системи?

77

Паяння матеріалів

Лабораторна робота № 7 ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ВЕЛИЧИНИ НАПУСТКУ ТА

ПАЯЛЬНОГО ЗАЗОРУ НА МІЦНІСТЬ СПАЯНОГО З’ЄДНАННЯ

Мета роботи: дослідити вплив величини напустку і величини паяльного зазору на міцність спаяного з’єднання.

7.1. Короткі теоретичні відомості

Проектування спаяних конструкцій передбачає забезпечення міцності, герметичності, електро- і теплопровідності та інших властивостей спаяних з’єднань. Властивості спаяного з’єднання, зокрема міцність, залежать від властивостей основного металу, припою, конструктивних особливостей з’єднання тощо.

В інженерних розрахунках міцність з’єднання встик визначається умовою

перерізу елемента, м2; [σ/] – допустимі нормальні напруження спаяного шва на розтягування, МПа.

Міцність спаяного з’єднання внапусток (рис. 7.1) визначається

де τ – середні дотичні напруження в шві, МПа; [τ/] – допустимі дотичні напруження спаяного шва, МПа; F – площа напустку спаяного шва, м2.

Для забезпечення рівноміцності спаяного з’єднання внапусток і основного металу необхідно виконати умову

78

Дослідження впливу величини напустку та паяльного зазору на міцність з’єднання

Fmin – мінімальна площа поперечного перерізу основного металу спаяних деталей, м2.

Рис. 7.1. Схема навантаження спаяного напусткового з’єднання

На підставі (7.2) можна визначити величину напустку, що забезпечує рівноміцність спаяного з’єднання і основного металу:

Для телескопічного з’єднання, показаного на рис. 7.2, маємо

l= Fmin [σ],

πD[τ/ ]

де Fmin = π(d +δmin ) δmin ≈ πd δmin .

Підставивши Fmin в рівняння (7.3), знайдемо

l = d δmin[ []σ] D τ′

якщо d і D мало відрізняються між собою, то

l ≈ δmin[τ′[]σ].

Рис. 7.2. Схема телескопічного спаяного з’єднання

79

Паяння матеріалів

Наведені рівняння не враховують концентрації напружень від нерівномірного їх розподілу вздовж спаяного шва. Розподіл дотичних напружень τвздовж напустку в напрямку дії сил наведено на рис. 7.3 [6, 8].

Рис. 7.3. Розподіл дотичних напружень в напустковому з’єднанні під дією сили Р при пружних деформаціях

Коефіцієнт концентрації напружень в спаяному шві визначається за рівнянням [8]

G – модуль пружності спаяного шва при зсуві, МПа; E – модуль пружності основного металу при розтягуванні, МПа; h – товщина прошарку припою, м.

Аналізуючи наведені формули (7.4) і (7.5), можна дійти висновку, що чим менша величина співвідношення G/E, тим менший коефіцієнт концентрації напружень. Модулі пружності G і E зв’язані рівнянням

G = 2(1E+µ).

Рівномірний розподіл дотичних напружень можливий лише за умови, коли під дією зсувного навантаження на всій площі з’єднання

80