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

При многоступенчатой диффузионной пайке процессы диф­ фузии легирующего элемента из шва в паяемый материал мо­ гут активизироваться в результате многократного перехода из а- в ß-состояние и обратно, с одновременным ускорением за­ растания нестабильных при низких температурах «дырок» в литой структуре и уменьшением развития в шве диффузион­ ной пористости.

Как видно из данных, приведенных на рис. 50, 51, сопро­ тивление срезу паяных соединений из ОТ4, полученных с при­ поем Ті—Ni, ниже, чем с припоем Си—Ті. Это обстоятельство связано с особенностями влияния меди и никеля на распад а — твердого раствора при охлаждении соединений после пай­ ки. При охлаждении паяного соединения из титана и его (а) - и (а + ß)-сплавов из ß-области в область существования ста­ бильной «-фазы могут образоваться метастабильные хрупкие структуры, в частности co-фаза и а'-фаза. Тормозят или пред­ отвращают образование хрупких составляющих ш-фаз такие элементы, как гафний и цирконий.

Применение давления при диффузионной пайке позволяет получить прочные соединения при более низких температурах и меньших выдержках, чем при диффузионной пайке без дав­ ления (в прижимном приспособлении) {51].

Диффузионная пайка соединений из ОТ4 припоем ПСр72 обеспечивает большее сопротивление срезу, чем диффузион­ ная пайка серебром и медью порознь (рис. 50). Соединения, выполненные этим припоем при 1150° С в течение 10 минут в

34% соответственно), из-за тугоплавкости образующихся интерметаллидов {2]. Обычно при таком способе пайки титана необходим достаточно плотный прижим паяемых поверхностей и их тщательная подготовка, которая существенно удорожает процесс, а для некоторых типов конструкций трудно выпол­ нима.

При пайке с полностью расплавляемыми припоями при вертикальном или близком к нему расположением зазоров возможно вытекание или перетекание припоев с верхних уча­ стков изделия в нижние, что приводит к ухудшению качества паяных соединений: недопустимому развитию химической эро­ зии (растворению) паяемого материала, а в местах недоста­

219

точного количества припоя — снижению прочностных харак­ теристик соединения. Все эти трудности могут быть устране­ ны при применении металлокерамических припоев [2].

Возможности диффузионной пайки титановых сплавов в> соединениях с некапиллярными зазорами. Возможность сбор­ ки с некапиллярными зазорами и пайки при наклонном и вер­ тикальном их расположении упрощает и удушевляет процесс в целом, особенно для крупногабаритных изделий, при сборке

пайку титанового сплава ОТ4 С. В. Лашко и В. Л. Гришин в- 1963 г. показали возможность получения прочных (до 56— 62 кПмм2) паяных соединений при ширине зазора 0,8—1,0 мм и использовании в качестве припоя механической смеси по­ рошков титана (50 мкм) и относительно легкоплавного сплава системы Ni—Al—Сг при нагреве в вакууме с разрешением! ІО-4 торр по режиму диффузионной пайки: 1050° С — 120 м»- нут. Позже, в работе [54], была исследована возможность ме­ таллокерамической пайки сплава ОТ4 припоем, состоящим из порошков титана и циркония и порошка эвтектики Си—Ті при зазорах 0,5—1,8 мм\ механические характеристики таких пая­ ных соединений достигали ав= 4 8 —52 кГ/мм2, а тср = 41— 43 кПмм2 при 20° С. Двадцатиминутная прочность паяных со­ единений при 350° С составила ~ 8 —10 кГ/мм2.

Учитывая роль циркония как элемента, снижающего тем­ пературу а— перехода и таким образом облегчающего про­ цесс выравнивания химической неоднородности в паяных швах, а также увеличивающего прочность титановых сплавов при повышенных температурах, была исследована в качестве металлокерамического припоя смесь порошка титана с эвтек­ тикой Си—Zr [55].

На тавровых образцах (режим: 980° С — 120 минут, удель­

медь и титана. На рис. 53 представлены полученные резуль­ таты. Как видно, оптимальным соотношением порошков явля­ ется 50 :50 (припой № 5). Металлографическое исследование показало, что при меньшем количестве порошка титана про­ цесс диффузионной пайки удлиняется, а при большем его ко­ личестве жидкой фазы не хватает для плотной пропитки бри­ кета припоя. Все это снижает характеристики паяных соедш нений.

220

Таблица 24

Предел прочности серебряных припоев и сопротивление срезу соединений из ОТ4, паянных этими припоями (обычная капиллярная пайка),

зазор — 0,15 мм.

е*

Р и с. 53. Влияние содержания порошка титана в металлокераминеском припое (Си—Zr)+Ti на предел прочности со­

вый образец для механических испытаний.

Температуры 1100° С и 1150° С для диффузионной пайки оптимальны, так как они обеспечивают получение паяных со­ единений с максимальным значением предела прочности за относительно короткий промежуток времени (15; 30 минут

221

соответственно ірнс. 64). После пайки при 1150°С — 16 минут зерно основного металла растет незначительно, а диффузион­ ная пористость не успевает развиться. Последующий дополни­ тельный нагрев паяемого соединения при 960° С — 60 минут, приводящий, в частности, к гомогенизации паяемого шва, по­ зволяет' повысить предел прочности образцов при 350° С выше46 кГ/мм2 (рис. 55). Как видно из рис. 56, увеличение сбороч­ ного зазора при применении металлокерамического припоя от

эвтектики Си—Zr на предел прочности таврового соединения. Режим пайки: 1000° С — 120 мин-, вакуум — 1J10- 5 торр.

0,2 до 0,5 мм приводит к снижению тСр в 1,2 раза; но дальней­ шее увеличение зазора до 1,5 мм не способствует его сниже­ нию. Поэтому приложение внешнего давления при пайке яв­ ляется существенным резервом повышения прочности паяных швов. Роль внешнего давления, вероятно, сводится к уплотне­ нию шва при затвердевании и к увеличению критического раз­ мера зародышей диффузионной пористости, что препятствует их развитию. Без приложения внешнего давления после пайки развиваются утяжины в шве и пористость (рис. 57).

Испытания на статическую и длительную 100-часовую проч­ ность при 350° С и коррозионную стойкость тавровых образ­ цов с зазором 1,5 мм, выполненных указанным металлокера-

223

Таблица 25

Влияние степени разрежения вакуума в процессе пайки на предел прочности соединений из сплава ОТ4, паянных металлокерамическим

мическим припоем по оптимальному режиму пайки *, показа­ ли хорошую работоспособность паяных соединений: коэффи­ циент прочности при 20° С — 0,88, при 350° С — 0,83. Длительная 100-часовая прочность паяных соединений в атмо­ сфере морского тумана, тропиков, промышленной атмосферы в результате месячных испытаний хорошая: потери предела прочности равны нулю.

Влияние технологии, пайки на свойства паяемого материа­ ла. Технология пайки может оказывать существенное влияние на механические свойства паяемого материала. Такое влия­ ние обуславливается тремя факторами: влиянием термическо­ го цикла пайки на структурные изменения паяемого материа­ ла, взаимодействием его с окружающей атмосферой и взаимо­ действием его с растекшимся припоем.

При нагреве многих титановых сплавов три температурах выше 960° С происходит заметный рост зерна, сопровождаю­ щийся в присутствии в сплаве кислорода некоторым сниже­ нием пластичности основного металла.

На рис. 52 приведены данные о влиянии температуры, вре­ мени и чистоты окружающей газовой среды на относительное удлинение титанового сплава ІЭТ4 (6 = 2 м м ) при 20° С. Как

* Оптимальный режим пайки: 1150° С — 15 минут+ 960° С — 60 минут; скорость нагрева от 20—900° С — 4—6 град/мин; от 900—1150° С — 12—16 град/мии; Р==40 Г/мм2; вакуум МО-5 торр (или 1-10- * торр с титановым экраном).

;-224

этом возрастает на 2—5 кГ/мм2. Однако при пайке в вакууме ІО-3—10-4 мм рт. ст. при температурах до 1150° С кратковре-, менно, до 10—15 минут, существенного снижения пластично­ сти сплава и роста его зерен не происходит.

Взаимодействие паяемого материала ОТ4, даже с тонкими слоями смочившего его припоя Си—Ті, как показали исследо­ вания Б. Н. Перевезенцева, Н. М. Соколовой и Ю. Н. Уполовникова, заметно влияет на его пластичность, снижая ее. По­ добное же влияние медного покрытия титановых сплавов об­ наружили в работе [56], что связывается с индуцирующим дей-. ствием хрупких трещин, возникающих при растяжении образ­ цов в хрупком слое полуды, образовавшейся при нагреве до, 960° С и контактно-реактивном плавлении медного покрытия с. титаном. Поэтому пайка титановых сплавов должна осуществ­ ляться в достаточно чистой от кислорода атмосфере, а покры­ тия контактирующих металлов перед контактно-реактивной диффузионной пайкой следует наносить лишь на паяемые по­ верхности или устранять образовавшийся при контактном, проявлении слой при последующей диффузионной пайке. , ;

§ 5. Совместимость материалов

и технологии

при пайке сталей

Совместимость материалов и технологии при пайке сталей определяется тремя их особенностями:

1)окислами, образующимися на поверхности сталей и припоев, и методами их удаления, что определяет возмож­ ность их физического контакта в процессе пайки;

2)характером физико-химического взаимодействия при­

поев и стали, определяющими качество паяного шва; 3) полиморфными стабильными и нестабильными превра­

щениями сталей, определяющими их свойства и их изменение под действием темрического цикла пайки.

Взависимости от легирования сталей, температуры, среды

идлительности нагрева на поверхности сталей образуются одни или несколько слоев окислов различного состава и терми­ ческой стойкости. На углеродистых сталях образуются после­ довательно три слоя окислов, отличающихся содержанием кис­ лорода: РезОз; FeO-FeaCb. Последний окисел стабилен при

лов, образующихся на различных сталях, определяются про­ цессами взаимной диффузии кислорода из газовой среды и легирующих элементов из внутренних слоев стали к ее по­ верхности, а также широкой областью однородности указан­ ных выше типов окислов в связи с существованием одноморфиых окислов типа іМе^Оз {Me— Fe, Ni, Со), типа Ме/Ме2//Оз

риала. При пайке углеродистых и низколегированных сталей легкоплавкими припоями ПОС40, ПОС61 в качестве флюсов могут быть использованы, главным образом, флюсы с орто­ фосфорной кислотой или активированные хлоридами цинка, олова, меди, алюминия, кадмия.

По данным о площади растекания мерной навески припоя ПОС61 при нагреве в течение 54 секунд при температуре ис­ пытания {57], [58] обнаружено, что по мере возрастания актив­ ности флюсы для пайки углеродистых и низколегированных сталей можно расположить в следующий ряд: ЛК2, ЛТИ120, водный р-р ZnCb, 38Н, № 10, Прима II, № 3. ТІаиболее ак­ тивными при пайке этих сталей являются флюсы № 10 и флюс Прима II. Температурные интервалы активности для этих флюсов при пайке стали 10 с припоем ПОС61 даны в табл. 26.

При пайке нержавеющей стали 1Х18Н10Т в тех же усло­ виях растекания припоя ПОС61 флюсы в порядке возрастания активности можно расположить в ряд: № 3; ЛМ1; 38Н; № 25.

Несмотря на хорошую активность, флюс № 3 имеет суще-

2 2 6

ственный недостаток: он весьма сильно взаимодействует со сталью 10, разрушая ее.

Припои ПОС61, ПОС40, олово плохо затекают в зазор при пайке стали 1Х18Н9Т с флюсами ЛК2, НИСО, КЭ, а олово —

кроме того, к образованию значительной пористости в капил­ лярном участке швов. Припой ПСр2,5 при пайке с флюсом ЛМ1 совсем не растекается и не затекает в зазор на образцах из ст. 1Х18Н10Т. При пайке стали 10 кадмиевыми припоями ПСрЗКд; ПСрбКЦН; ПСр8КЦН с флюсами ЛМ1, 40% Я3Р 0 4. и флюсом № 3 обнаружено весьма слабое затекание их в за­ зоры и значительная пористость в шве.

Наиболее активными и удобными при пайке нержавеющей стали припоем ПОС61 является флюс № 25, а при пайке ста­ ли 10 — флюсы № 10 и Прима II. Флюсы № 10 и № 25 реак­ тивного действия и при их контакте со сталью на ее поверх­ ности высаживаются подслои олова и кадмия, которые обра­ зуют легкоплавкий подслой, облегчающий растекание припоя. Остатки этих флюсов необходимо после пайки тщательно смывать.

При пайке низкоуглеродистых и конструкционных сталей с медью окислы на поверхности паяемого материала могут быть восстановлены при нагреве в среде водорода и восстано­ вительных газовых сред, содержащих водород — диссоцииро­ ванного аммиака, продуктов неполного сгорания смесей воз­ духа с высококалорийными газами — городским, генератор­ ным, водяным, пропаном, продуктами пиролиза керосина. При пайке медью могут быть использованы газовые среды с не­ высокой точкой росы (+ 20° С).

Пайка сталей высокотемпературными припоями с нагре­ вом на воздухе может быть произведена с применением соле­ вых флюсов 209, 200, 201, буры, № 18В (табл. 22).

Пайку нержавеющих сталей различных типов высокоплав­ кими припоями производят с флюсами, содержащими буру, борный ангидрид, а также фториды металлов или смесь буры, борного ангидрида с фторборатами (табл.22). Припайке при температуре до 750—800° С наиболее широкое применение полу­ чили флюсы №№ 209, 284; пайку при температурах>800° С обычно производят с флюсами № 200, и № 201, 18В.

При пайке в пламени горелок деталей из нержавеющей стали флюс № 200 и № 201 необходимо наносить на паяемую.

поверхность в виде пасты, замещенной на воде до начала ее нагрева, а во время нагрева и пайки необходимо продолжать обильное флюсование; флюс № 209 наносят при пайке; пред­ варительное нанесение флюса № 209 на детали из нержавею­ щих сталей приводит к «прикипанию» флюса, что затрудняет смывку его остатков после пайки. Остатки флюса № 200 пос­ ле пайки необходимо удалять в том случае, если изделие изго­ товлено из стали СН2.

Пайка нержавеющих сталей в среде водорода или диссо­ циированного аммиака возможна только тогда, когда точка росы этих сред не выше минус 70° С. Пайка в невысоком ва­ кууме нержавеющих сталей с разрежением (10-1-=-10~2 мм рт. ст) требует предварительного электролитического покры-

228