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

лов в контакт в течение 0,5 сек оказалось достаточным для по­ явления очагов контактного плавления.

Явление контактного плавления.лежит в основе метода так называемой контактпо-реакцмопной пайки, находящего все бо­ лее широкое распространение в практике соединения металлов и сплавов, а также металлов с неметаллическими материалами.

Процесс контактного плавления состоит из двух стадий: под­ готовительной стадии, в течение которой на поверхности при­

предполагается, что взаимодействие металлов на этой стадии

В одной из ранних работ С. В. Лашко говорится об особом структурном состоянии мест контакта фаз в эвтектических сме­ сях, отличном от простого контакта подобных фаз. Возникнове­ ние такого структурного состояния, очевидно, является подгото­ вительной стадией для контактного плавления.

Согласно теории фазовых превращений, контролируемых диффузией, для начала плавления достаточно образования

Привлечение к анализу явления контактного плавления мето­ дики расчета кинетики объемного фазового превращения, ис­ пользованной И. Л. Миркиным, позволяет получить следующее выражение для зависимости от времени величины поверхности контакта металлов St, вовлеченной в контактное плавление:

Х = 1~ехр( з -

Для завершающей стадии процесса расчеты по этому урав­ нению становятся неточными из-за неучета влияния границ по­

жидкой фазы в направлении, нормальном к поверхности контак­ та, принимается, что этот процесс контролируется диффузией в жидкой фазе. Концентрационные условия на границе раздела фаз, а также изменение состава по толщине слоя жидкой фазы в ходе контактного плавления показаны на рис. 31, б. Принима­ ется, что на границе контакта фаз постоянно поддерживаются равновесные для данной температуры составы жидкой и твердой фаз. В соответствии с принятой схемой для зависимости толщи­

целью процесс контактного плавления прерывали, систему ох­ лаждали, после чего измеряли распределение микротвердости в переходной зоне твердый — закристаллизованный жидкий ме­ талл. Полученные результаты свидетельствуют о том, что слой твердого раствора существует.

Когда же образуется такой слой? В процессе увеличения тол-

ментальные точки в координатах квадрат толщины слоя жидко­ сти — время хорошо укладываются на прямую линию, т. е. кине­ тика процесса соответствует параболическому закону, выражае­ мому соотношением (20).

Угловой коэффициент наклона прямой на рис. 32, проведен­ ной через экспериментальные точки, составляет 3,84 • 10- 5 . Сплошной прямой на рисунке показаны результаты расчета за­ висимости толщины слоя жидкости от времени выдержки при 1000°С, сделанного по уравнению (20) с использованием для D величины 3 - Ю - 5 см2/сек. Остальные необходимые для расчета данные взяты из диаграммы состояния титан — медь. Как видноиз рис. 32, результаты расчетного и экспериментального опреде­ ления кинетики контактного плавления в системе медь — титан совпадают.

В табл. 14 представлены результаты расчета времени полногорасплавления прослоек некоторых металлов толщиной 10 мкм, вступающих в контактное плавление с основными металлами. Расчеты выполнены по формуле (20) с учетом объемного содер­ жания металла прослойки в образующихся жидких сплавах.

Учитывая, что время полного расплавления пропорциональноквадрату толщины прослойки, по данным табл. 14 можно вы­ числить время расплавления при соответствующих температурах, прослоек другой толщины.

МЕХАНИЗМ И КИНЕТИКА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ ЖИДКОГО СПЛАВА. В ШВЕ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ПАЙКИ.'

Метод диффузионной пайки позволяет решать ряд важных в; практическом отношении задач по соединению материалов.. К их числу относится проблема повышения температуры само­ произвольного или под небольшой нагрузкой разъединения

пайки, поскольку температура пайки есть температура ликвидус сплава, образующегося в шве в результате взаимодействия при­ поя с основным металлом и окружающей средой. Метод же диф­ фузионной пайки позволяет получать паяные соединения с тем­ пературой распая существенно большей, чем температура пайки. Так, например, самотвердеющие галлиевые пасты обеспечивают получение при температурах, близких к комнатным, соединений,, способных работать при нагреве до нескольких сот градусов.

Повышение за счет диффузионной пайки температуры распая соединений увеличивает верхнюю температурную границу служ­ бы изделий и повышает прочностные характеристики паяных соединений при работе в условиях нагрева.

Кроме того, диффузионная пайка позволяет решить проблему ступенчатой папки с использованием одного припоя вместо при­ менения серии припоев с различными температурами плавления.

Диффузионной пайкой можно получать высокопрочные и пластичные соединения таких химически активных металлов, как титан, цирконий, магнии и их сплавов. При растворении данцых материалов в припоях получаются сплавы, характеризующиеся повышенной хрупкостью из-за присутствия в их структуре интерметаллическнх соединений паяемого металла с компонентами припоев. Кроме того, на границах шва возможно появление сплошных иитерметаллпдных прослоек как результат реакцион­ ной диффузии компонентов припоя в основной металл. Такие паяные швы имеют низкие прочностные свойства особенно в ус­ ловиях действия ударных и знакопеременных нагрузок.

Поскольку неблагоприятные для механических свойств пая­ ных соединений структуры возникают при охлаждении и затвер­ девании жидкости в шве, избежать их появления можно, если провести процесс пайки так, чтобы к моменту охлаждения жид­ кая фаза в шве отсутствовала.

Отличительной особенностью диффузионной пайки по срав­ нению с другими ее разновидностями и является проведение процесса пайки в таких условиях, которые обеспечивают затвер­ девание прослойки жидкого сплава в шве при температуре папки. При этом принципиального значения не имеет, каким именно образом жидкий металл введен первоначально в капил­ лярный зазор.

Затвердевание происходит в результате развития в системе, состоящей из основного металла и прослойки-жидкого припоя, процессов и превращений, направленных к установлению такого фазового состава, при котором система обладает наименьшим уровнем свободной энергии.

Пусть припой и основной металл первоначально представля­ ют собой чистые металлы, диаграмма фазового равновесия кото­ рых показана на рис. 33, а. Допустим, что количественное их -соотношение в зоне соединения, которое определяется толщиной стенки основного металла и слоя припоя в зазоре, соответствует сплаву состава С. На рис. 33, б показана зависимость удельной

вом составе система будет иметь минимальную свободную энер­ гию. Величина последней определяется точками на общей каса­

благоприятное соотношение между количеством твердого и жид­ кого металлов.

Для анализа процессов взаимодействия припоя, с основным металлом при пайке рассмотрим некоторые общие закономерно­ сти фазовых превращений в металлических системах. Так, в те­ ории фазовых превращений, . кинетика которых определяется диффузионными процессами, принимается, что на границе раз­ дела фаз в ходе приближения системы к равновесию поддержи­ ваются равновесные составы фаз, определяемые в случае пайки ликвидусом и солидусом диаграммы состояния основной ме­ талл — металл-припой при температуре процесса. Превращение одной фазы в другую развивается на границе раздела. Внутрен­ ние объемы фаз непосредственного участия в превращении не принимают, однако влияют на его кинетику и направление, на­ рушая равновесные составы фаз на границе раздела вследствие диффузионных процессов в объемах фаз. На такие нарушения

система реагирует перемещением межфазовой границы, т. е. из­ менением объема фаз, в сторону той фазы, в которой интенсив­ ность процессов массопереноса меньше. Поскольку скорость массопереноса в жидких металлах выше, чем в твердых, на на­ чальном этапе пайки преобладает растворение основного метал­

фазы, преобладающим процессом в системе становится диффу­ зия металла-припоя в основном металле, в результате чего кон­ центрация твердого раствора на межфазной границе должна стать меньше равновесной (Со )• Восстановление равновесных составов фаз у границы раздела приводит к растворению в по­ верхностном слое основного металла дополнительных количеств металла-припоя. При этом пограничный слой жидкости стано­ вится пересыщенным по отношению к основному металлу и кри­

двухкомпонентной системы основной металл — припой (напри­ мер, пайка относительно тугоплавкого металла более легкоплав­ ким, не образующим с первым при температуре пайки интер-

Из соотношения (22) находим продолжительность t диффу­ зионной пайки в зависимости от толщины к прослойки жидкой

онной пайки является уменьшение величины к, что может быть достигнуто различными технологическими приемами.

Ввиду отсутствия надежных данных по коэффициентам диф­ фузии и принятых при выводе формулы (24) допущений опре-- деление продолжительности пайки по формуле (24) носит ориен­ тировочный характер, однако позволяет существенно сократить объем исследований по отработке режимов диффузионной пай­ ки в каждом конкретном случае.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДИФФУЗИОННОЙ ПАЙКИ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ

сплавов, что объясняется трудностью получения другими спосо­ бами пайки достаточно прочных и пластичных паяных соедине­ ний этих .материалов.

Титан, будучи весьма активным в химическом отношении элементом, образует в паяном шве хрупкие интерметаллиды почти со всеми элементами, входящими в состав припоев. Так,, при капиллярной пайке титановых сплавов припоями на основе

припоями и Ti2 Cu при пайке медносеребряными припоями). Разрушение соединений происходит по интер'металлидным про­ слойкам. .

выдержек при относительно высоких температурах пайки была обнаружена в работах [73, 75]. При пайке титана серебром с уве­

ний более чем "в 3 раза, а прочность стыковых соединений ста­ новится равной прочности титана.

Как показали исследования, значительное повышение свойствпаяных соединений титана связано с длительной выдержкой при высоких температурах, которая приводит к исчезновению в. структуре швов кристаллизационных зон. Это означает, что к моменту охлаждения паяных соединений в шве отсутствует жидкая фаза. Исчезновение последней вызвано изотермической кристаллизацией расплава (затвердеванием при температуре пайки), механизм которой был рассмотрен в предыдущем раз­ деле.

В нашей стране исследованиям процессов взаимодействия титана с припоями при диффузионной пайке, химического со­ става и структур образующихся в шве сплавов, влияния режи­ мов пайки на прочностные характеристики паяных соединений было посвящено несколько работ, начатых И. К. Скляровым и С. Н. Лоцмановым. В этих работах диффузионная пайка комби­ нировалась с контактно-реакционной, которая обеспечивала первоначальное образование жидкого сплава в шве за счет кон­ тактного плавления титана с покрытиями или фольгами других металлов.

В работе Б. Н. Перевезенцева и В. Н. Лашкова выполнены исследования контактно-реакционной диффузионной пайки тита­ нового сплава ОТ4 с помощью медно-циркониевого покрытия. Покрытия толщиной 12—15 мкм наносилось методом термиче­ ского испарения в вакууме. По мнению авторов, введение цирко­ ния позволяет снизить температуру начала контактного плав­ ления на 10—20° С. Кроме того, при диффузии в титан цирконий снижает температуру его полиморфного превращения, способст­ вуя ускоренному прохождению диффузии меди.

Пайку проводили при температуре 930° С. После малых вы­ держек в шве наблюдается кристаллизационная зона с харак­ терной эвтектической структурой, ограниченная диффузионными", зонами компонентов покрытия в титане. Увеличение выдержкидо 15 мин и более приводит к исчезновению "в шве эвтектиче­ ской прослойки и увеличению размера диффузионных зон. Помере увеличения выдержки происходит постепенная гомогениза­ ция паяного шва, так что сам шов по структуре все больше при-