книги из ГПНТБ / Долгов Ю.С. Вопросы формирования паяного шва

лпзационных зонах швов меньше по сравнению с модельными образцами. А. С. Екатова предполагает, что ликвация при кри­ сталлизации в паяных швах увеличивается по сравнению с лик­ вацией при кристаллизации относительно больших объемов сплавов (модельные образцы и эталонные сплавы). Можно предложить и другое объяснение: в паяном шве часть избыточ­ ного твердого раствора на основе меди кристаллизуется в виде слоя на поверхности основного металла, толщину которого трудно учесть при определении общей площади, занятой твер­ дым раствором.

Следовательно, нужно подходить осторожно к использова­ нию метода количественной металлографии для определения химического состава сплавов в кристаллизационных зонах пая­ ных швов.

При панке алюминия цинком при 550 и 610° С концентрация алюминия в кристаллизационных зонах швов составляет 42,5 и 69,6% по массе, что практически соответствует растворимости алюминия в жидком цинке при тех же температурах по данным диаграммы состояния алюминий — цинк 43 и 71% по массе.

Вработе [26] количественным микрореитгеиоспектральным методом определяли содержание железа и никеля в кристалли­ зационных зонах швов, полученных пайкой серии железоиикелевых сплавов медью и железа медноникелевыми сплавами при температурах 1150 и 1200° С соответствен по. Составы сплавов, соответствующие ликвидусу диаграммы состояния трехкомпонентной системы медь — никель — железо и результаты экспери­ ментальных исследовании составов кристаллизационных зон паяных швов практически совпадают (рис. 11).

Втабл. 9 представлены результаты определения содержания железа в швах, полученных при пайке стали 0Х18Н10Т припоя­ ми на медной (ПМцЮ) и никелевой (Г40ІТХ) основе. Темпера­

тура пайки составляла 1080° С для медного припоя и 1180° С для никелевого. Относительная ошибка анализа составляла око­

поях нержавеющей стали завершается в течение времени, мень­

маний в зависимости от режимов пайки исследовали на плоских многоканальных образцах, имитирующих наиболее распростра­ ненные при пайке зазоры (от 0,05 до 0,5 мм). Сопоставляли ширину кристаллизационных зон швов с величинами исходных зазоров под пайку [28].

мени, как это следует из уравнения (11), графически имеет вид, показанный на рис. 13. В случае, если KY-C/i (большие зазоры

и(или) малая выдержка), экспоненциальный член в формуле"

(11)с достаточной точностью может быть представлен так:

е~~~ - 1 -

h '

тогда соотношение (11) принимает вид:

Рт

т. е. б не зависит от /г (область I I на рис. 13).

В случае, если Kt^>h (малые зазоры и (или) относительно большая выдержка), экспоненциальный член в формуле (11) близок к нулю и для толщины растворенного слоя твердого ме­ талла справедливо соотношение (12), т. е. б зависит прямо про­ порционально от h (область I на рис. 13) и соответствует рас­ творению такого количества основного металла, при котором получается насыщенный жидкометаллический раствор.

ширины кристаллизационных зон паяных швов при изменении величины зазора графически может быть представлен на рис. 14. В области I растворение приводит к образованию насыщенных растворов основного металла в припое, вследствие чего Н за­

висимость Я от h имеет линейный характер с угловым коэф­ фициентом к=\, как и при отсутствии растворения.

Таким образом, результаты экспериментальных исследова­ ний химического состава кристаллизационных зон паяных швов показали, что составы кристаллизационных зон близки к равно­ весным, а также, что зависимость этого состава от времени выдержки при температуре пайки и от величины исходного за­ зора (за исключением весьма малых выдержек) незначи­ тельна.

Анализ закономерностей влияния процесса растворения ос­ новного металла на химический состав припоя в шве. Как было показано ранее, общая скорость растворения, а также харак­ тер распределения растворенного металла в расплаве в ходе

с теорией гетерогенных реакций Нериста, идущих по диффузи­ онной кинетике, молено принять, что в слое расплава, непосред­ ственно прилегающем к поверхности твердого металла, весьма быстро возникает и поддерживается насыщенный раствор рас­ творяемого металла. Концентрация такого раствора зависит

После заполнения жидким припоем капиллярного зазора растворение основного металла происходит при отсутствии при­ нудительной конвекции в расплаве. Можно предположить, что массопереиос вследствие естественной конвекции также не имеет существенного значения для паяного шва. В табл. 6 приведены результаты расчета толщин диффузионного пограничного слоя б в жидких металлах при растворении, которые для неперемешиваемых жидкостей составляют от миллиметра до десятых долей миллиметра.

Растворение основного металла в жидком припое капилляр­ ного участка шва происходит с двух противолежащих поверх­ ностей. При этом удвоенная толщина диффузионного погранич­ ного слоя в спокойном расплаве оказывается больше, чем пол­ ная толщина слоя жидкого припоя в реальных паяных швах, поскольку зазоры под пайку, как правило, выбираются не более нескольких десятых долей миллиметра. Это обстоятельство и позволяет сделать вывод о том, что конвекционный массопере­ иос растворенного металла в паяном шве оказывается в значи­ тельной степени подавленным.

Величина константы скорости растворения, если процесс контролируется диффузией, определяется соотношением (10),. в которое входит значение б. При растворении твердых метал­ лов в относительно больших объемах жидкого металла толщина диффузионного пограничного слоя жидкости составляет малую

ном шве) объемах жидкого металла. Следовательно, в этих случаях и константы скорости растворения, определяемые соот­ ношением (10), должны быть раз­ личными при прочих одинаковых ус­ ловиях. Это обстоятельство и нак­ ладывает известные ограничения на возможность использования резуль­ татов определения кинетики раство­ рения в больших объемах жидкости для анализа скорости изменения состава припоя в шве, если раство­ рение основного металла контроли­ руется диффузионной стадией. Если же растворение контролируется пер­ вой стадией, то использование най-, денных констант скоростей для оп­ ределения состава припоя в паяных швах вполне правомерно.

Определим время, необходимое для насыщения жидкого припоя в шве растворяющимся основным ме­

таллом, если процесс контролируется второй стадией и пере­ нос атомов растворенного металла происходит исключительно путем диффузии.

Распределение концентраций растворяющегося металла по ширине шва х (рис. 15) в зависимости от времени t определя­

Изменение концентрации растворенного основного металла по толщине слоя жидкого припоя в различные моменты време­ ни показано на рис. 15.

Перераспределение атомов растворенного металла при за­ твердевании расплава изменяет картину первоначального рас­ пределения, описываемого соотношением (13). Однако экспери­ ментально можно определить среднюю концентрацию раство­ ренного металла в кристаллизационной зоне паяного шва, которая, очевидно, равна концентрации в расплаве. Из урав­ нения (13) получаем зависимость средней концентрации раство­

Из соотношения (14) следует, что время образования насы­ щенного жидкого раствора, т. е. раствора, имеющего среднюю концентрацию С'о, бесконечно велико. Однако практически важ­ но знать время растворения, в течение которого состав раствора становится столь мало отличным от С™, чтобы разница нахо­ дилась в пределах точности применяемого метода определения химического состава.

Из уравнения (14) найдем время /, в течение которого сред­ няя концентрация растворенного металла составит, например,

лями в практике пайки используются в пределах 5 - Ю - 2 — Ю - 3 см. Из данных, представленных в табл. 11, видно, что при тем­ пературах, близких к температурам плавления, коэффициенты

Теоретический анализ диффузии в жидкостях, данный в ра­ боте [62], также подтверждает приведенные выше значения ко-, эффициентов диффузии и сравнительно малую зависимость ко: эффициента диффузии в жидкостях от температуры. Кроме то­ го, в работе [62] указывается на малое различие коэффициентов

ной величины до сотых долей секунды для минимальных за­ зоров.

состава кристаллизационных зон паяных швов от времени вы­

шве, т. е. от величины зазора, успевает растворить основной ме­

основной.металл — припой. Этим и объясняется, почему в ряде работ концентрации основного металла в кристаллизационной зоне близки к его растворимости в припоях при соответствую­ щих температурах.

Поскольку растворение основного металла в припое, запол­ нившем капиллярный зазор, завершается в течение секунд, огра-