книги из ГПНТБ / Лашко, Н. Ф. Вопросы теории и технологии пайки

растворении 'последнего в жидкой фазе. Отсутствие растворе­ ния жидкой фазы в твердой затрудняет процесс проникания (затекания) жидкой фазы по границам зерен твердой (напри­ мер, свинца ів меди) так как смачиваемость при этом не до­ статочная.

При наличии растворимости твердой фазы в жидкой об­ легчаются условия межзеренного проникания, особенно если растворимость жидкой фазы в твердой небольшая. Такие ус­ ловия создаются при взаимодействии твердой и жидкой фаз з двойных системах элементов, образующих эвтектики или пери­ тектики при температурах выше температур эвтектики или пе­ ритектики и наличия большого концентрационного интервала между солидусом и ликвидусом (при обеспечении взаимной растворимости твердой и жидкой фаз).

В табл. 10 представлены некоторые типичные пары метал­ лов, при взаимодействии которых проявляется разная способ­ ность к межзеренному прониканию жидких металлов в твер­

дые.

Таблица 10

Взаимная растворимость твердых и жидких металлов и склонность к межзеренному прониканию жидкого в отожженный твердый металл

* Образуются химические соединения.

Такие условия создаются также, если жидкая фаза явля­ ется эвтектикой двухкомпонентной системы, а твердая фаза — одной из ее компонент, в которой слабо растворяется эвтекти­ ка, например, Ni+Ni3B системе Ni—'В. При наличии относи-

109

Пограничные области зерен вследствие их высокой актив­ ности растворяются в жидком таллии; при этом устанавливает­ ся метастабильное равновесие. Но три последующем нагреве

(три 120—'150°, 10—112 часов пли три 200—225°, 4—6 часов) [57] в результате диффузии галлия из пограничных областей внутрь зерна исчезает жидкая фаза с границ зерен и эффект диепергацнн прекращается. Сплав переходит ів стадию ста­ бильного равновесия, становится пластичным. Возможность пайки алюминия и его сплавов галлпевым припоем при темпе­ ратурах 120—225° можно объяснить протеканием вышеуказан­ ных процессов.

Известно, что при введении легирующих элементов в при­ пои или в паяемый металл можно частично или полностью подавить или даже усилить склонность к межзеренному про­ никанию в зависимости от влияния их на способность взаимо­ действия твердой и жидкой фаз в объеме и на поверхности их раздела.

Склонность к прониканию припоя по границам зерен про­ является преимущественно при обычной капиллярной пайке и не имеет места при диффузионной контактно-реактивной и металлокерамической тайках. Основное значение при этом имеет характер взаимодействия между жидкой и твердой фа­ зами и количеством припоя.

Малое количество припоя может оказаться недостаточным для развития процессов по границам зерен, тогда как при на­ личии относительно большого количества припоя различие растворимости границ зерен и внутренней части зерна не име­ ет существенного значения (кроме начальной стадии).

В паяных швах наблюдаются также структуры, аналогич­ ные по форме структуре межзерениого затекания, но образу­ ющиеся не непосредственно при взаимодействии жидкой и твердой фаз, а в процессе кристаллизации паяного шва. Такие структуры образуются при пайке металла припоем-металлом, образующими между собой эвтектику, или припоем-эвтекти- кой, в которой однаіиз фаз одинакова спаяемым металломили его твердым раствором. При этом возникают благоприятные условия для совместной кристаллизации (аутоэпитаксии). На­ пример, при пайке меди эвтектическим припоем ПСр 72 (при 900° в течение 20 минут) медь частично растворяется в припое, паяемый шов становится по составу в среднем доэвтектическим. В результате совместной кристаллизации на паяемой меди возникают зародыши меди или ее твердого раствора; при разрастании они образуют зубчатый фронт кристаллиза-

112

ции, в промежутках которого кристаллизуется эвтектика Си—Ag, со структурой, аналогичной структурам межзеренно-

го проникания.

Подобная же, но менее четко оформленная структура об­ разуется при пайке никеля эвтектическим припоем Ni—Be (при 1200° в течение 20 минут).

Аналогичная структура образуется также при реактивной флюсовой пайке алюминиевого сплава АМц с флюсом 34А, ■когда из флюса высаживается жидкий цинк, образующий при взаимодействии с А1 сплав с эвтектикой Zn—Al. При после­ дующей кристаллизации на поверхности твердого раствора

Рис. 17. Аутоэпмтаксия (совместная кри­ сталлизация) твердого раствора цинка в алюминии при пайке алюминия припоем

Zn — 5% Al.

сплава в результате совместной кристаллизации растет алю­ миниевая фаза 'в виде выступов глубоких по фронту, между которыми кристаллизуется эвтектика' ' цинк—алюминий (рис. 17). Цинк и алюминий образуют структуру іпсев'дбэвтектики, типичную для многих доэвт'ектическйх сплавов (А1—Si

идр.). ■

Условия взаимодействия жидкой фазы и выступов твердой, образовавшихся в результате совместной кристаллизации, от­ вечают условиям равновесия, устанавливающимся при' межзеренном проникании жидкой фазы с образованием диги-

дрального угла. Такие же псевдоэвтектические структуры об­ разуются при кристаллизации массивных отливок при относи­ тельно медленной кристаллизации.

Межзеренное проникание и склонность к образованию кри­ сталлизационных трещин при пайке, сварке и литье. Особен­ ности взаимодействия жидких и твердых металлов при пайке, отвечающие разным двойным диграм'мам состояния, проявля­ ются аналогичным образом как в условиях проникания жид­ кой фазы в твердую при их контакте, так и в условиях частич­ ного затвердевания из жидкого состояния в интервале кри­ сталлизации при сварке и литье. Такая аналогия позволяет оценивать склонность к образованию кристаллизационных трещин как в процессе формирования соединений при пайке и сварке, так и при изготовлении изделий. Такая аналогия наиболее изучена при исследовании взаимодействия элементов в двойных сплавах на основе алюминия [58], [59], [60].

Малый (<60°) или нулевой двухгранный угол £ указывает на хорошую смачиваемость и затекаемоеть жидкой фазы между зернами твердого и способствует образованию межкристаллитных трещин при нагреве в интервале кристаллизации под влиянием растягивающих напряжений. Жидкая фаза при этом образует сплошную прослойку .практически не сопротив­ ляющуюся действующим напряжениям (внутренним или внеш­ ним). Если двугранный угол ^90°, то жидкая фаза те обра­ зует сплошной прослойки, а собирается по границам зерен в виде изолированных капель, образующих разорванную сетку. Сопротивляемость такой системы сплавов растягивающим напряжениям высокая; они, как правило, не склонны к обра­ зованию самопроизвольных кристаллизационных межкристал-

Двухпранный угол £ в условиях смачивания, изменяющий­ ся в пределах от 0 до 90°, а отношение Отж/ожг от 0,5 до У2/ 2- Эти величины, согласно [59], в разных двойных системах на алюминиевой основе при нагреве вплоть до температуры плав­ ления алюминия изменяются различным образом. В эвтекти­ ческой системе А1—Sn они уменьшаются непрерывно, ускорен­ ное уменьшение наблюдается при 600°, тогда как в монотектических системах А1—'Cd и А1— In эти величины не изменяют­ ся почти вплоть до температуры плавления алюминия.

114

Т а б л и ц а l i

Склонность к межзеренному охрупчиванию и образованию кристаллизационных трещин в двойных системах металлов

§ 4. Охрупчивание твердых металлов,

смачиваемых жидкими металлами

Проблема влияния среды на -механические свойства твер­ дых тел включает ряд частных проблем взаимодействия мате­ риалов в твердом состоянии с веществами в ином агрегатном состоянии (жидком и -газообразном). Взаимодействие их на­ чинается на поверхности контакта с процесса физической ад­ сорбции, может перейти в процесс хе-мосорбции, а затем, при определенных условиях, и -в стадию химического взаимодей­ ствия.

Известно влияние проникания водорода в металлы на их охрупчивание [6|1].

В холоднотянутом листе золота, погруженном в водный раствор хлоридов, возникали трещины. (Пластически деформи­ рованные латунные детали растрескивались в контакте с ам­ миаком, а также в контакте со ртутью. Упруго напряженные

Но в контакте твердых тел с жидкими первые могут стать и более пластичными, и более прочными. В результате такого контакта может протекать как процесс охрупчивания, так и

8* и 5

процесс пластифицирования. Например, штамповка листов, находящихся а контакте с определенными жидкостями, может происходить более успешно, чем без контакта.

Взаимодействие твердых и жидких тел многообразно. Рас­ смотрим более подробно влияние контакта твердого тела с жидким на охрупчивание твердого тела в условиях имити­ рующих пайку или лужение.

Установлено, что наиболее сильное охрупчивание и пони­ жение прочности имеет место при контакте твердых тел с жид­ кими, имеющими аналогичную химическую связь (металлы с металлическими расплавами, а ионные кристаллы с распла­ вами и растворами солей).

Начиная с 1914 г. публикуются работы,- посвященные раз­ личным аспектам важной металловедческой и технологической проблемы — возможности охрупчивания твердого металла при контакте с жидким, необходимых и достаточных условиях ох­ рупчивания, кинетике хрупкого разрушения, -его механизма и способах предотвращения. По ряду вопросов охрупчивания твердых металлов в контакте с жидкими достигнуто согласие, по некоторым вопросам остаются разногласия [62], [63], [64], [65], [66], [67], [68], [69]. В дальнейшем для сокращения это явление будем называть контактным твердо-жидким ох­ рупчиванием.

. Твердый металл может охрупчиваться в контакте с жидким как без приложения внешних нагрузок, так и в условиях при­ нудительной деформации.

Контактное твердожидкое охрупчивание металлов имеет место при смачивании жидким металлом твердого при нали­ чии в нем остаточных или внешне созданных растягивающих напряжений. Остаточные растягивающие напряжения могут быть созданы при деформации, неравномерном нагреве или охлаждении или ином внешнем воздействии или в результате образования неравновесных структур (закалки,- незакончен­ ного распада твердого раствора и т. д.).

Во внешних .слоях твердого металла, подвергающегося сжатию, или при наличии в нем сжимающих напряжений кон­ тактное твердожидкое охрупчивание не обнаружено.

Локальное-разрушение твердого металла в контакте с жид­ ким происходит в ,,результате потери локальной межатомной связи в твердом металле. На это, в частности, указывает со­ впадение начального участка типичной кривой истинных рас­ тягивающих напряжений в зависимости от относительных уд­ линений при растяжении монокристаллов, покрытых и не по­

116

крытыхохрупчивающими жидкими металлами. Потеря атом­ ной -связи монокристалла цинка, покрытого ртутью, при рас­ тяженииоо скоростью '15% минг1по данным [63] происходит через 1 минуту при напряжении 0,2 кг/мм2, тогда как моно­ кристалл, не покрытый ртутью, разрушился при относитель­ ном удлинении 600° под напряжением ~-5 кг/мм2.

Процесс воздействия жидкого металла на твердый, -вызы­ вающего охрупчивание, иногда описывается как «очень -быст­ рый» [63], «проявляется тотчас же» или «мгновенно» [64].

-Существует аналогия -между хрупким разрушением -метал­ лов под .напряжением в электролитах и при контактном твердожидком охрупчивании. Для них действительны общие необ­ ходимые условия: разрушение в местах концентрации растя­ гивающих напряжений при смачиваемости электролитом твер­ дых металлов. Разрушение происходит в результате электро­ химических реакций, вызывающих избирательное и локальное растворение металла.

При объяснении причин контактного твердожидкого ох­ рупчивания существуют различные объяснения потери меж­ атомной-связи: 1) -вследствие процессов химического взаймо^ действия между твердым и жидким металлами; 2) вследствие значительно меньшей межфазной анергии атж по сравнению с <7жг(птж<Штг); 3) вследствие совместного действия обоих факторов с превалированием одного из них.

В ряде работ по рассматриваемому вопросу представлено объяснение охруп-чи-вания в виде частного крайнего случая вто­ рой точки зрения, предполагая, что смачивание твердого ме­ талла жидким происходит по чисто физическому обратимому механизму (.процессу) без участия процессов химического взаимодействия между твердой и жидкой фазами (растворе­ ния твердой фазы в жидкой и наоборот, образования интерметаллидов, но с участием только поверхностных обратимых адсорбционных процессов.

Такая точка зрения была впервые представлена П. А. Ребиндером (>1928 г.) в результате исследования взаимодействия твердых тел с жидкими на границе их раздела и затем разви­ та в серии работ исследователей этого направления [62]; [63]; [64]; [65]; [66].

Согласно [65, стр. 49], «совершенно исключается возмож­ ное влияние растворения образца, так как тонкий -слой жидко­ го металла сейчас же насыщается веществом исследуемого ме­ талла» (описано взаимодействие цинка с олов-ом).

Представители этого направления, начиная с 19-58 г. [70]

'117