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

дающего с Si большим химическим сродством и не образую­ щим с железом интерметаллидов, кремний связывается с нике­ лем в химическое соединение и не образует интерметаллида по границе ш.ва со сталыо.

■При пайке металлов и сплавов припоями с основой, не об­ разующей с паяемым металлом прослоек химических соеди­ нений, особое значение имеет содержание в них примесей и ле­ гирующих элементов способных к образованию таких просло­ ек [18]. Толщина прослоек химических соединений в швах, па­ яных такими припоями зависит от количества реактивных при­ месей и легирующих элементов; образование таких прослоек возможно лишь начиная с некоторого критического их содер­

жания.

Критическое количество реактивных элементов в припоях тем больше, чем меньше их химическое сродство с паяемым материалом. Так, для фосфора и алюминия характерно слабое сродство с металлами lß и 25 группы периодической системы (Cu, Ag, Zn, Cd), образующих большую группу медных и се­ ребряных припоев; зато алюминий и фосфор склонны, входя в припои, например, в виде примеси, образовывать при пайке сталей прослойки хрупких химических соединений с железом:

Ag—Cu—Zn—Cd (50%Cd—il5%Cu—16%Zn—19Cd) содержа­ ние фосфора в припое не должно превышать 0,014%, а алю­ миния — 0,001 %.

По данным [іі8], при погружении железа армко в двухкомпонентный серебряный припой Ag—Cu при 1000° С в тече­ ние 1 минуты для появления прослойки интерметаллидов же­ леза с кремнием или сурьмой или цинком оказалось достаточ­ ным введение в припой 1—3% Si, 7—10% Sb или 50% Zn.

Для предотвращения образования и роста прослоек в со­ единениях из однородных металлов, паянных припоями, со­ держащими химически активные примеси или легирующие элементы в количествах выше критического, необходимо ле­ гирование припоя компонентом D, связывающим в химическое соединение избыточное (сверх критического) количество при­ меси В. Обычно включения таких химических соединений от­ носительно равномерно распределены по шву и не образуют прослоек на границе с паяемым материалом.

Примером такого легирования является введение никеля в припои Си—Zn, Ag—Си—Zn-—Cd и другие, содержащие при­

149>

меси алюминия в количествах выше критического. При леги­ ровании таких припоев никелем или лайке ими никельсодержащих сталей (например, стали типа 18—8) критическое со­ держание примеси алюминия в припое увеличивается.

По данным [77], при пайке малоуглеродистой стали припо­ ем 82% Au—18%Ni, содержащим 0,2% Al, хрупкий слой интерметаллидов железа с алюминием не образуется.

Барьерные покрытия, устраняющие контакт между жид­ ким припоем и паяемым металлом, хорошо сцепленные с ним и не склонные к образованию прослоек химических соедине­ ний ни с припоем, ни с паяемым материалом (хотя бы при вы­ бранном режиме пайки), могут также предотвратить появле­ ние в швах прослоек интерметаллидов. Такие покрытия могут быть образованы лужением, гальваническим, термовакуумным или ионным покрытием, плакированием и другими способами. При этом паяемым металлом становится металл барьерного покрытия; в большинстве случаев прочность паяного соеди­ нения определяется прочностью сцепления металла барьерного слоя с паяемым металлом.

При достаточной тол-щине барьерного покрытия, пред­ отвращающего сквозную эрозию его в жидком припое при тем­ пературе ниже критической и времени меньшем периода акти­ вирования то, прослойка интерметаллидов между паяемым ме­ таллом и барьерным покрытием не образуется.

В некоторых случаях таким покрытием может служить и металл В основа припоя (рис. 26). Если в процессе пайки или

В > В крптич)), а нагрев и время пайки (пайкосварки) недоста­ точны для образования прослоек химических соединений меж­ ду А и твердым покрытием В, то механические свойства соеди­ нений будут высокие. Таким образом, можно, например, избе­ жать образования прослоек интерметаллидов при сваркопайке или пайке сталей с алюминиевыми сплавами. Приѳтом насталь наносится тонкий стой твердого алюминия. При пайке титана серебряными припоями, содержащими более 4% Си такими барьерными покрытиями могут быть никель-кобальтовые по­ крытия [18], а по данным Перевезенцева Б'. Н., кобальтовые и молибденовые покрытия.

При выборе металлов для жидких барьерных покрытий как и при выборе легирующих элементов припоев, тормозя­ щих или предотвращающих образование и рост прослоек хи­ мических соединений в контакте паяемого металла с жидким

150

технической революции в связи с развитием новых комплек­ сов технических систем, связанных с применением новых ви­ дов энергии и новых материалов, способных работать в раз­ ных средах и условиях. К ним относятся: ядерная энергетика, авиационная реактивная техника, космонавтика, радиотехни­ ка, радиоэлектроника, криогенная техника, радиолокационная техника, изготовление металлоконструкции и другие новые и старые традиционные технические системы.

Как и всякий технологический процесс, пайка является ор-. ганичеекой частью (элементом) в технической системе, вклю­ чающей конструкцию (жак материальная реализация процес­ са), материал, технологию, экономику, эргономику (науку о трудовой деятельности человека), техническую эстетику и другие менее существенные элементы. В этой технической си­ стеме, составляющей единство, конструкция имеет определя­ ющее значение.

Единство конструкции, материала и технологии, реализуе­ мое в их взаимной совместимости при наличии обратной свя­ зи, является основным условием получения изделия требуемо­ го качества и надежности в эксплуатации, способного выпол­ нять определенные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого проме­ жутка времени или требуемой наработки [1], [2].

Общая совместимость конструкции, материала (материа­ лов) и технологии, как совместной их способности обеспе­ чивать создание качественных и надежных паяных узлов и изделий может во многих случаях быть реализована различ­ ными способами, а в отдельных случаях единственным спосо­ бом, и предполагает частные совместимости при заданном одном или двух других факторах (конструкции, материале, технологии).

Реализация надежной конструкции происходит в трех ста­ диях—проектирования, изготовления, эксплуатации.

Задачи, методы и условия реализации конструкции в каж­ дой стадии специфичны, но цель одна: реализация надежной конструкции. В основе каждой стадии реализации находится единство и совместимость конструкции, материалов и техноло­ гии в условиях определенной экономической системы.

Основной задачей первой стадии реализации надежной конструкции является создание проекта конструкции с учетом размеров и сочленения деталей и совместимости ее с материа­ лами и технологией на основе информации и опыта конструк­ торов, материаловедов и технологов.

I5S

Задачей второй стадии является изготовление качествен­ ной (потенциально надежной) конструкции, в которой долж­ на быть реализована совместимость конструкции, материала и технологии на определенном уровне их качества и контроля.

Собственно реализация надежной конструкции происходит на третьей стадии при аксплоатащги с обеспечением контроля совместимости конструкции, материала и технологии.

Совместимость конструкции, материала и технологии осу­ ществляется методами обратной связи между конструктора­ ми, материаловедами, технологами и эксплуатационниками с обеспечением контроля качества и надежности деталей и всей

меньшими техническими возможностями, является нетехноло­ гичным.

Несмотря па относительный характер понятия «техноло­ гичность конструкции» в настоящее время существует ряд ■общих положений, которые необходимо учитывать при проек­ тировании и изготовлении паяных изделий. Эти положения

.154

В понятие материалы (М) схемы (рис. 30) входят мате­ риалы конструкции (Мк). Одним из основных условий обес­ печения высокого качества и надежности паяных изделий яв­ ляется стабильность состава и качества материалов, взаимо­ действующих между собой в процессе пайки.

Технология Т в схеме рис. 30 определяется технологиче­ ским процессом пайки паяльными материалами Мт, оборудо­ ванием и оснасткой. Из определения пайки (ГОСТ 17325-71) следует, что «пайка есть процесс получения неразъемного соединения материалов с нагревом ниже температуры их ав­ тономного расплавления путем смачивания, растекания, зате­ кания и заполнения в зазоры между ними расплавленного припоя и сцепления их при кристаллизации шва».

Соответственно определяющими параметрами способов пайки являются зазор (капиллярный или некапиллярный), ха­ рактер введения припоя или его образования, характер за­ твердевания жидкой фазы в паяном шве, обеспечивающий сцепление деталей (ГОСТ 17349-71).

Для контакта паяемого материала и припоя нужна акти­ вация их поверхности путем удаления перед пайкой и в про­ цессе пайки окисных и других пленок с неметаллической связью, мешающих их контакту. Для активации поверхности паяемых материалов и припоя и для нагрева при пайке при­ меняют различные способы. Для перевода припоя в жидкое или жидкотвердое состояние необходим его нагрев и .нагревпаяемого материала по месту их контакта до температуры пайки (гл. I).

Для обеспечения требуемого зазора при пайке прилагает­ ся давление, величина которого чаще всего находится в пре­ делах 0,1—4 кг/км2.

Таким образом, технологический процесс пайки определя­ ется способом пайки по образованию паяного шва, источнику нагрева и методу удаления окисной пленки. Данные о терми­ ческом цикле пайки и требуемом давлении задаются режи­ мом пайки РП.

Совместимость паяемого материала Мк и технологии Т' определяются частными совместимостями Мк и Мп при задан­ ном РП: Мк — РП, Мг — РП.

156

Для технологических паяльных материалов, какими явля­ ются припои, флюсы и газовые среды, сведения об их составе, температурах плавления и свойствах недостаточны; наряду с этим необходимы данные о свойствах этих материалов, опре­ деляющие их совместимость с паяемыми материалами. Так, например, для флюсов и активных газовых сред необходимы данные об их температурных интервалах активности с задан­ ными паяемыми материалами и припоями, данные о влиянии остатков флюсов на коррозионную стойкость паяных соеди­ нений, о сравнительной активности флюса, о степени его реактивности по отношению к паяемому материалу, обезугле­ роживании или насыщении паяемого материала газами ак­ тивных сред и т. д.

.Поэтому совместимость паяемого материала и технологии М—Т определяется частными совместимостями паяемого Мк с технологическими материалами (Мк—Мп) при заданных спо­ собах и режимах пайки. Совместимость паяемых (Мк) и па­ яльных (технологических) материалов, при пайке и эксплуа­ тации многообразна и проявляется при формировании паяно­ го соединения в обеспечении его качества и надежности.

Совместимость по образованию связи в соединении при пайке: в процессе смачивания; в процессе растекания и зате­ кания в зазор; в процессе диффузионного взаимодействия твердого паяемого материала с жидким припоем;

впроцессе охрупчивания паяемого материала в контакте

сжидким припоем;

впроцессе затвердевания (образования кристаллизацион­ ных трещин, усадочной и газовой пористости);

впроцессе гомогенизации в твердом состоянии (образо­ вания диффузионной пористости, роста прослоек химических соединений);

впроцессе охлаждения в твердом состоянии (деформаци­ онная совместимость, определяемая согласованностью мате­ риалов, связанной с их способностью к упругой и пластиче­ ской деформации, с их способностью к релаксации в результа­ те перехода упругой деформации в пластическую).

Контроль совместимости материалов при пайке, произво­ дится по качеству паяного соединения:

по характеристикам прочности, пластичности, вязкости; по специальным свойствам (электропроводность, жаро­ стойкость, коррозионная стойкость в газах и жидких средах, электролитах и неэлектролитах, температуре распайки и др.). Контроль совместимости в процессе эксплуатации произ­

157

водится по надежности паяного соединения, узла или изделия: по результатам моделирования условий эксплуатации на

лабораторных образцах; по результатам воспроизведенных условий эксплуатации

при стендовых испытаниях узла или изделия; по результатам испытаний узла или изделия при эксплуа­

тации.

Совместимость паяемых и паяльных материалов (Мк—Мп)- при пайке. Папка невозможна, если припой не смачивает пая­ емый материал, не растекается по нему и не затекает в зазор.

В соответствии с физико-химическими процессами, проис­ ходящими при пайке между припоем и паяемыми материала­ ми в случае когезионного их взаимодействия, на качество и надежность паяного соединения могут оказывать решающее влияние степень развития эрозии паяемого материала в жид­ кой фазе припоя, подготовительный период и кинетика роста хрупких химических прослоек на границе шва и паяемого ма­ териала при пайке и эксплуатации изделия, возможность об­ разования пористости в шве (усадочной, газовой, диффузион­ ной) склонность к кристаллизационным и холодным (терми­ ческим) трещинам в паяных швах и т. д.

Совместимость разнородных материалов при пайке бывает различной. Самосовместимостью обладают некоторые паяе­ мые материалы, способные к контактно-реактивному плавле­ нию. В этом случае для их пайки не требуется введения гото­ вого припоя, а иногда и флюса. Образующийся при контактнореактивном плавлении относительно легкоплавкий сплав иг­ рает роль припоя. Но если такой сплав, например эвтектиче­ ский, состоит, главным образом, из хрупких химических соеди­ нений и поэтому малопластичен, то материалы нельзя считать самосовместимыми, так как они не обеспечивают высокого ка­ чества и надежности в соединении при контактном плавлении. Такими парами металлов являются медь « алюминий, маг­ ний и алюминий, серебро и алюминий, титан с никелем или с медью. Эти же пары металлов в соединениях из алюминия и его сплавов с тонкими прослойками магния, серебра, или из титана с тонкими прослойками меди или никеля самосовместимы вследствие существования широкой области твердых растворов металла прослойки в паяемом материале и возмож­ ности контактно-реактивной диффузионной пайки, обеспечи­ вающей высокую прочность и пластичность паяных соединений.

Если паяемые материалы не самосовместимы, требуется введение припоя, а иногда припоя и флюса. В этом случае

158