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

кии

*Есть химическое соединение.

Таблица 13

Взаимная растворимость твердой меди Л и жидких металлов и склонность ее к твердожидкому окрупчиванию

* Есть химические соединения.

119

Т а б л и ц а 14

Взаимная растворимость твердого железа А и жидких металлов и склонность его к охрупчиванию

Взаимная растворимость твердых и жидких металлов и склонность твердых металлов к охрупчиванию в контакте с жидкими

нен

120

лов обнаружено во многих случаях. Известно снижение проч­ ности жестких паяемых соединений из алюминия и его спла­ вов цинком или припоями на основе цинка. Алюминий с цин­ ком образуют эвтектику с большим взаимным растворением алюминия в жидком цинке и жидкого цинка в твердом алю­ минии. Частичная потеря прочности соединений связана с по­ терей кристаллической связи при образовании жидкого или твердожидкого слоя.

Потеря прочности и пластичности особенно резко прояв­ ляется при контактно-реактивной пайке, когда жидкий припой образуется в результате контактного плавления при условии» конечно, что в процессе пайки паяемое соединение находится под действием растягивающих напряжений. ,

Склонность к контактному твердожидкому охрупчиванию, обнаружена при сочетании металлов, образующих между со­ бой перитектики. Для таких систем характерна высокая рас­ творимость более тугоплавкого металла в легкоплавком. Ох­ рупчивание в этих случаях наблюдалось как при слабой рас­ творимости жидкого металла в твердом (Zn—Hg), так и при сильной растворимости (Sn—Hg). Но могут быть созданы и такие условия контакта в таких системах, когда охрупчивание не проявляется (Cd—Hg).

Наиболее сильное проявление контактного твердожидкого охрупчивания наблюдалось между металлами, образующими между собой простую эвтектику, с заметным растворением твердого металла в жидком при слабом или отсутствующем растворении жидкого металла в твердом. То же правило от­ носится и к металлам, образующим диаграмму состояния, включающего эвтектику с перитектикой. Частичная или пол­ ная потеря прочности и пластичности в этих случаях происхо­ дит вследствие потери межкристаллической прочности, свя­ занной главным образом с процессом растворения твердой фа­ зы в жидкой, а также с понижением поверхностной энергии Отж, обеспечивающей смачивание и растекание жидкой фазы по твердой. Смачиваемость твердой фазы жидкой в этом слу­ чае необратимая, химическая.

Как было указано в главе II, на границе контакта твердой и жидкой фазы очень быстро устанавливается локальное рав­ новесие между твердым металлом и жидким, насыщенным твердым в соответствии с диаграммой равновесия. 'Смачива­ ние и растекание жидкой фазы по твердой при этом происхо­ дит по химическому механизму преимущественно в процессерастворения твердого металла в жидком.

124

При сочетании металлов, образующих монотектику, также обнаружено явление контактного твердожидкого охрупчива­ ния. Для этой системы характерен переход жидкой фазы при охлаждении (при прохождении через монотектическую темпе­ ратуру) к двум фазам — твердой и жидкой. Монотектическая реакция происходит по схеме: a>K->-ßm1+ Рт2Для монотектичеокой реакции характерна ограниченная растворимость метал­ лов в жидком состоянии и отсутствие растворимости в твердом состоянии и жидкой фазы в твердой.

Склонность к контактному твердожидкому охрупчиванию обнаружена также при сочетании металлов, не образующих между собой ни жидких, ни твердых растворов, —Fe—Li, Fe—Cd, и др. [63]. Жидкая фаза при охлаждении расслаива­ ется на две жидкие фазы. Смачивание и растекание жидкой фазы по твердой должно происходить по адгезионному меха­ низму без участия процессов растворимости.

Сочетание металлов, образующих между собой эвтектику с перитектикой при относительно большой растворимости твердого металла в жидком и, наоборот, слабой растворимости жидкого в твердом, также благоприятно для образования жидкого слоя в контакте, потере кристаллической связи и склонности к контактному твердожидкому охрупчиванию. Примером этого является сочетание ртути с цинком.

Характерны следующие случаи охрупчивания под влияни­ ем избирательного растворения элементов твердого сплава в жидком.

Погружение пустотелых литых деталей из жаропрочных никелевых сплавов со стенками разной толщины в раствор ще­ лочи МаОН, нагретый до 650° (с целью растворения керами­ ческих стержней), часто вызывает самопроизвольное образо­ вание трещин. После предварительного снятия остаточных растягивающих напряжений (образующихся при неравномер­ ном охлаждении деталей при затвердевании и охлаждении) в процессе отжига при 950° погружение ів раствор не вызывал трещинообразования.

Несомненно, что при смачивании никелевого сплава ще­ лочью высокое межфазное натяжение а-,Кг заменяется значи­ тельно меньшим меж фазным натяжением оТж, но при этом по­ является новое явление — избирательное растворение в щело­ чи алюминия в поверхностном слое сплава, что должно спо­ собствовать разрыву связей и образованию трещин.

Известен аналогичный пример при смачивании металла с

122

металлом. Адсорбционное 'Смачивание меди ртутью не вызы­ вает самопроизвольного охрупчивания меди, тогда как сма­ чивание ртутью латуни, при котором возможное избиратель­ ное растворение цинка ‘способствует сильному охрупчиванию

.латуней.

Влияние нарастающего химического взаимодействия меж­ ду припоем ипаяемым металлом на усиление его охрупчивания наглядно видно из результатов испытаний на длительную прочность стали 23Х2Н2.ВФА (при 1010° С и напряжении 2 кг/мм2), облуженной припоями эвтектической системы Ag—Cu (рис. 18) (по данным Н. Г. Григорьева). При облуживании техническим серебром (99,9%), когда смачивание происходит по адсорбционному типу, удлинение и время до разрушения слабо уменьшаются по сравнению с испытаниями необлуженной стали. При облуживании сплавами с постепен­ ным нарастанием в них меди, т. е. с усилением степени коге­ зионной связи стали с жидкой фазой, длительность до раз­ рушения и пластичность заметно уменьшаются.

П

Р и с. 18. Время до разрушения и относитель­ ное удлинение стали 2 3 Х 2 Н ЗФ А при контакте с

Большинство подобных случаев самопроизвольного разру-

.'.шения сопровождается проникновением жидких металлов по границам зерен. Поэтому некоторые исследователи относят эти разрушения к типу межкристаллитных, хотя наблюдаются разрушения и без видимого проникания жидких металлов по границам зерен, а также в монокристаллах.

123

Наиболее чувствительны к подобному виду разрушений паяемые или паяные детали из нержавеющих хромистых ста­ лей, нихрома и монель-металла (сплавы никеля с медыо). Эти' сплавы обладают малой теплопроводностью, поэтому в них. под влиянием неравномерного нагрева довольно легко созда­ ются термические напряжения, способствующие проявлениюдействия жидких металлов. К образованию подобных трещи» особенно склонны наклепанные сплавы.

Сплавы и стали, имеющие 'неравновесную структуру, болеечувотвительны к действию жидких припоев при растяжении, чем равновесные. Это справедливо, в частности, для мартен­ ситных сталей, подвергшихся низкому отпуску [67]. Жидкиеметаллы, смачивающие твердые напряженные -сплавы, воздей­ ствуют избирательно не только на границы зерен, но и на структурные составляющие. Жидкие припои в а- и -ß-латунях

•в первую очередь растворяют границы зерен, тогда как в двух­ фазных латунях избирательно растворяется ß-фаза.

При -контакте твердого и жидкого металлов, образующих при взаимодействии -слой интерметаллндной фазы, при опре­ деленных условиях уменьшается скорость растворения твер­ дой фазы в жидкой. Нельзя не сопоставить этот факт с малой склонностью или вообще несклонностью к охрупчиваниютвердых металлов, образующих с жидким металлом ннтерметаллид. Однако существуют металлы, образующие прослой­ ки ннтерметаллидов со взаимодействующим жидким метал­ лом и склонные к охрупчиванию. Это связано, по-видимому,, со слабым замедлением растворения твердой фазы <в жидкой или с разрушением слоя интерметаллид-ов и возобновлением з связи с этим контакта жидкой фазы с твердой. На возмож­ ность разрушения слоя ннтерметаллидов при растяжении ме­ таллов и проникновение через них жидкой фазы к твердой бы­ ло также указано в работе [71].

Характерно поведение трех металлов — меди, железа і-г алюминия—в контакте с жидким литием в условиях растя­ жения: медь сильно охрупчивается, пластичность железа сла­ бо снижается, механические характеристики алюминия не из­ меняются. Это, несомненно, связано с тем, что медь и литий образуют эвтектику при 170° С и мало растворимы друг в дру­ ге; железо способно растворяться при высокой температуре в-- литии, но диффузия лития в железо не наблюдалась; литий,- сильно растворим в алюминии и образует -с ним несколько хи­ мических соединений.

Охрупчивающее действие жидкой фазы :на твердую -в ряде-

124

известны [73]. Торможению и скоплению дислокаций способ­ ствует снижение температуры; растормаживанию, освобожде­ нию, выравниванию их скопления способствует повышениетемпературы. В этом заключается одна из причин перехода ряда металлов при деформации из вязкого в хрупкое состоя­ ние при снижении температуры.

Некоторые твердые металлы, обычно не склонные при сни­ жении температуры к переходу в хрупкое состояние, приоб­ ретают склонность к такому переходу, находясь в контакте с активной жидкой фазой [63]. Например, латунь, покрытая, жидкой ртутью, становится склонной к охрупчиванию в про­ цессе растяжения при определенных температурах. Темпера­ тура перехода от пластичного к хрупкому состоянию снижа­ ется с уменьшением величины зерна латуни [74] и линейно* зависит от среднего диаметра зерна.

Неизвестны дислокационные модели, объясняющие тормо­ жение дислокаций в твердой фазе под действием жидкой фа­ зы, физически адсорбированной на первой фазе. Наоборот,, следует ожидать противоположного эффекта освобождения заторможенных дислокаций у поверхности раздела твердой и жидкой фаз, где диффузионная подвижность должна бытьбольшей, чем в твердой фазе (при этом не изменяются струк­ тура и состав фаз). Кроме того, при растворении поверхност­ ных слоев в жидкой фазе разрушаются дислокационные скоп­ ления и зародыши трещин. Возможность торможения дисло­ каций становится объяснимой, если предположить образова­ ние у поверхности раздела твердая — жидкая фаза сплава иного состава в результате действия диффузионных процессов. Состояние слоя у поверхности раздела, определяющего по­ верхностную энергию а™, может, конечно, влиять на величину предельной деформации. Склонность к охрупчиванию при этомі будет определяться главным образом свойствами поверхност­ ного слоя с измененным химическим составом по сравнению с основной твердой фазой и 'Способностью к химическому взаи­ модействию с ней жидкой фазы в процессе деформирования.

Повышение предела усталости стали в контакте с жидким: оловом по сравнению со сталью без покрытия не без основа­ ния связывается с образованием слоя интерметаллида FeSn2>. создающего напряжения сжатия в поверхностном слое ста­ ли [75].

Источниками растягивающих напряжений могут быть не только внешние нагрузки и внутренние напряжения, но и осо­ бенности структуры твердого тела. Известно, что в неравно-

126

весны.ч гетерогенных сплавах, особенно образовавшихся в про­ цессе распада твердого .раствора и образования фаз с разны­ ми удельными объемами, могут возникнуть большие микрона­ пряжения.

При ■наличии .растягивающих напряжений, вызванных оотаточными пластическими деформациями и структурными пре­ вращениями, охрупчивание может быть всегда самопроизволь­ ным только при контакте с жидкой фазой. Иногда нарушение силового равновесия в твердом теле вследствие контакта с жидкой фазой вызывает деформацию ниже предельной; тогда охрупчивания не наступает, и для его осуществления требу­ ется дополнительная деформация от внешних нагрузок. Так, сплавы алюминия, содержащие до 1,25% Mg в контакте с жидким сплавом не разрушаются при деформировании. Более метастабилы-іые сплавы, содержащие 2,5% Mg охрупчиваются при относительно большей деформации. Еще более метаста­ бильный сплав, содержащий 4% Mg, охрупчивается в значи­ тельно большей степени при относительно малом усилии. Не­ равновесные, или имеющие внутренние напряжения, сплавы, склонные к охрупчиванию под действием жидкой фазы, но са­ мопроизвольно не разрушающиеся, охрупчиваются под дейст­ вием дополнительных растягивающих нагрузок. Это было об­ наружено, в частности, при испытании сталей в контакте с легкоплавкими оловосодержащими припоями или с латунью Л62.

Уровень остаточных структурных напряжений в закаливае­ мых сталях зависит от термической обработки; он может ха­ рактеризоваться пределами прочности. Неслучайно хрупкое разрушение стали ЗОХГСА в контакте с оловянными припоями происходит при .растяжении образцов термически обработан­ ных на прочность ^ 90 кг/мм2 [67]. Очевидно, только при этом создаются необходимые и достаточные условия для хруп­ кого разрушения образцов, находящихся в контакте с жидким припоем..

Пайка деталей из деформированной (наклепанной) аусте­ нитной стали Х18Н9Т (например, трубчатых деталей) сереб­ ряными и латунными припоями (ПСр72, ПСр40, Л62 иногда приводит к самопроизвольному разрушению. Пайка предва­ рительно отожженных деталей в тех же условиях не вызывает самопроизвольного разрушения (трещин). Устранение оста­ точных напряжений может быть произведено и в процессе пайки, если применить припой с температурой плавления выше температуры снятия остаточных напряжений в стали ІХ18Н9Т

127