Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

стью, коррозионную и радиационную стойкость соединения. Температура распая должна быть выше температуры пайки. Компоненты припоя должны иметь небольшое сечение захвата нейтронов и не должны образовывать относительно долгоживущих радиоактивных нуклидов. С металлургической точки зрения припой должен быть гомогенным с равномерным распределением легирующих компонентов. В наибольшей степени этому требованию отвечают аморфное или нанокристаллическое состояния припоя, обеспечивающие равномерное плавление припоя, высокую диффузионную и капиллярную активность компонентов припоя, в результате которых в зоне паяного шва формируется новый твердый раствор с достаточно высокой температурой плавления. Наконец, компоненты припоя не должны образовывать легкоплавких эвтектик и хрупких фаз с паяемыми материалами.

Принципы выбора элементного состава припоя для пайки одно-

родных материалов. В качестве припоя обычно выбирают основу и основные легирующие компоненты паяемого сплава. В выбранной композиции подбирается состав с минимальной температурой плавления, т.е. состав многокомпонентной эвтектики. Эвтектики с минимальной эвтектической температурой и максимальными температурами плавления образующих ее компонентов являются легко аморфизуемыми (см. п. 20.4). Для аморфизации припоя возможен ввод дополнительных легирующих элементов, обладающих размером атома, заметно (на 12–25%) отличающимся от радиуса атома основы, имеющих существенно отличную валентность (до 5–6) от валентности атомов основы и снижающих молярный объем сплава. При выборе состава припоя учитывается то, что аморфное состояние наиболее вероятно у элементов с большим количеством полиморфных форм, высокой степенью анизотропии межатомной связи и в системах склонных к образованию различных фаз. Для подавления расслоения таких эвтектик при охлаждении можно добавить избыточное число атомов по отношению к стехиометрии фаз. В ряде случаев для улучшения жидкотекучести припоя вводятся специальные элементы, например бериллий.

Выбор элементного состава припоя для пайки разнородных материалов осложняется тем, что соединяемые материалы имеют различную природу междуатомных связей и различные коэффициенты

281

термического расширения, создающие разрушающие термические напряжения при охлаждении соединения после пайки. В таких случаях необходимо применять пластичные тонкие проставки и два различных припоя.

Выбор перспективных составов пропоев проводится на основе данных термического и рентгеновского анализов, механических, коррозионных и радиационных испытаний.

Технологические особенности производства быстрозакаленных припоев диктуются необходимостью получения гибкой тонкой ленты с гомогенным распределением легирующих элементов. Для обеспечения гомогенного распределения легирующих элементов определяется температура нагрева расплава на основе изучения вязкости расплава в заданном интервале температур. Наиболее гомогенному распределению легирующих элементов в виде наноразмерных кластеров соответствует максимум вязкости расплава. Для получения калиброванной по толщине ленты выбирают размеры и форму сопла ампулы, параметры нагрева и режимы литья.

18.8.4. Флюсовая и бесфлюсовая пайка

Флюсовая пайка характеризуется использованием флюса для осуществления процесса пайки. Флюс обычно хорошо смачивает основной металл и обеспечивает удаление оксидной пленки и защиту паяемого металла от окисления. В состав флюсов входят активаторы, растворители, поверхностно-активные вещества, органические и неорганические кислоты. Механизм действия флюсов может характеризоваться химическим или растворно-химическим взаимодействием. При пайке остатки флюсов, содержащие, например, хлориды цинка, кадмия способствуют коррозии в паяном шве и должны быть удалены после пайки промывкой водой и спиртом.

Стремление к упрощению технологии пайки, сокращению числа технологических операций и времени пайки, а также высокие требования к свойствам паяного соединения, в том числе коррозионным, определяют развитие методов бесфлюсовой пайки. Это достигается применением припоев, содержащих легирующие элементы, являющиеся раскислителями с сильным химическим сродством к кислороду; защитой паяемого металла и припоя от непосредствен-

282

ного контакта с кислородом воздуха за счет использования атмосферы инертного газа или вакуума; применением механических и физических методов удаления оксидной пленки. Абразивная, ультразвуковая, вакуумная пайки относятся к способам бесфлюсовой пайки.

18.8.5. Контактно-реактивная и реактивно-флюсовая пайка

Контактно-реактивная пайка представляет собой разновидность капиллярной пайки, при которой припой образуется в результате контактно-реактивного оплавления соединяемых материалов. Сочетание элементов, образующих эвтектики Cu–P, Ag–Be, Au–Si, Bi–Sn, реализуется обычно при контактно-реактивной пайке.

Для контактно-реактивного оплавления необходимо, чтобы температура нагрева в месте контакта (пайки) превышала эвтектическую температуру на два – три градуса. Паяный шов формируется жидкой эвтектикой, заполняющей место пайки. Образование жидкой фазы происходит весьма быстро, что определяет время пайки в течение 0,5 с. Контактно-реактивное оплавление может развиваться (под оксидной пленкой при условии наличия ее локального дефекта) более интенсивно, чем контактное плавление при пайке готовым припоем.

Паяные швы, образованные эвтектиками, содержащими хрупкие химические соединения, имеют, как правило, пониженную пластичность. Устранение этого недостатка достигают приложением давления при пайке, обеспечивающим удаление большей массы эвтектики до ее затвердевания.

Реактивно-флюсовая пайка характеризуется тем, что припой, обеспечивающий соединение при пайке, образуется из компонентов флюса в результате химической реакции.

Реактивный флюс, используемый при реактивно-флюсовой пайке обычно содержит химические соединения (галогениды металлов), состоящие из нелетучей металлической и летучей галогенидной компоненты. Возможность протекания реакции восстановления металла из флюса на поверхности паяемого металла определяется активностью металла.

283

Реактивно-флюсовая пайка широко применяется для пайки алюминиевых сплавов. В этом случае при пайке протекает экзотермическая реакция восстановления алюминием олова или цинка из их галогенидов в реактивном флюсе и образование паяного соединения этими металлами.

18.9.Технологии физико-химических, электрофизических

ирадиационно-пучковых методов обработки материалов

Применение электрической, химической и других видов энергии непосредственно в зоне обработки для упрочнения или разрушения материала заготовки на заданном участке позволяет достичь ряда технологических преимуществ. При обработке изделия процесс снятия припуска протекает с ничтожно малыми механическими нагрузками, что исключает влияние на точность обработки упругих деформаций элементов технологической системы. Одинаково успешно обрабатываются заготовки различной прочности, твердости, вязкости. В большинстве случаев поверхности деталей получаются с минимальным дефектным слоем. Появляется возможность обрабатывать труднодоступные и сложные по конфигурации полости.

18.9.1. Электрохимические способы обработки

Электрохимическая обработка основана на анодном растворении материала заготовки при электролизе. Производительность процесса зависит от свойств обрабатываемого материала и электролита (применяются кислые и щелочные растворы), плотности электрического тока. В ряде случаев для интенсификации процесса электрохимической обработки подогревают электролит, механическим путем удаляют продукты анодного растворения, сообщают системе ультразвуковые колебания.

Электрохимическое полирование. Процесс ведется таким обра-

зом, что преимущественно растворяются микровыступы обрабатываемой поверхности, которая начинает сглаживаться и постепенно приобретает зеркальный вид. Обработка длится 5–10 мин при скорости съема припуска 0,05–0,15 мм/с. Шероховатость обработанной поверхности составляет Rz = 0,8–0,2 мкм. При электрополиро-

284

вании частично или полностью снимается дефектный слой, что улучшает физико-механические свойства деталей, в частности, повышается их усталостная прочность, коррозионная стойкость.

Полированию подвергают заготовки из черных и цветных металлов, в том числе для доводки поверхностей режущих и измерительных инструментов, получения поверхностей под гальванические покрытия, декоративной отделки деталей.

Электрохимическая размерная обработка. Особенностью про-

цесса является прокачивание электролита через зазоры между заготовкой (анодом) и инструментом (катодом). Свежий электролит, непрерывно поступающий в камеру, ускоряет растворение заготовки. Вся площадь обрабатываемой поверхности находится под активным воздействием инструмента, приближающегося к заготовке по мере изменения ее размеров. Процесс обработки отличается высокой скоростью съема припуска (до 8 мкм/с) при высоком качестве получаемых поверхностей. На размерную точность и шероховатость обработанной поверхности сильно влияет зазор между инструментом и заготовкой. Необходимый размер зазора поддерживается благодаря следящей системе, устанавливаемой на станках для электрохимической обработки. Иногда для повышения точности обработки (например, коррозионностойкой стали) вместо постоянного используют выпрямленный импульсный ток.

Электрохимическую размерную обработку обычно применяют для высокопрочных, труднообрабатываемых резанием материалов.

Электрохимическое шлифование. Процесс ведется по схемам обычной механической обработки, но с применением кругов, содержащих в связке электропроводный наполнитель (графит). Выступающие из связки зерна образуют зазор между заготовкой и инструментом. В зазор, являющийся межэлектродным промежутком, подается электролит. Образующаяся при анодном растворении материала заготовки пленка снимается кромками выступающих зерен.

Производительность электрохимического шлифования в сравнении с обычным повышается в 2 и более раз. При этом полностью исключаются прижоги, возможные при механическом шлифовании, а малые силы резания позволяют с высокой точностью обрабатывать нежесткие заготовки.

285

Анодно-механические обработки. Процесс сочетает элементы электроэрозионного и электрохимического методов обработки. Быстро перемещающиеся в относительном движении инструмент и заготовка являются электродами цепи постоянного тока. В зону обработки подается электролит, в качестве которого используется раствор силикатов натрия. Соприкосновение инструмента-катода с микровыступами обработанной поверхности заготовки-анода вызывает электроэрозию. Прохождение тока через электролит приводит к анодному растворению.

По методу анодно-механической обработки чаще всего разрезают гладким диском труднообрабатываемые заготовки. Метод нашел распространение также при заточке твердосплавных резцов, шлифовании плоских и цилиндрических поверхностей гладким металлическим кругом.

С увеличением подводимой мощности начинают преобладать электроэрозионные процессы, повышается производительность обработки (до 30–100 мм3/с), но ухудшается качество поверхностного слоя. Такой режим приемлем для черновых проходов. Чистовую обработку ведут, снижая мощность до преобладающего действия электрохимического процесса. Шероховатость обработанной поверхности при производительности около 0,01 мм3/с достигает

Rz = 0,8 мкм.

18.9.2. Электроэрозионные способы обработки

Электроэрозионная обработка основана на разрушении (эро-

зии) токопроводящих материалов под действием создаваемых между ними электрических импульсных разрядов. Разряд происходит, когда напряжение между сближенными участками электродов, одним из которых является инструмент, а другим – заготовка, достигает определенного значения, достаточного для пробоя межэлектродного промежутка. Через узкий канал пробоя (или канал проводимости) за время 10–4–10–8 с проходит ток, плотность которого достигает 8–10 кА/мм2. Температура на локальном участке элек- трода-заготовки у основания канала проводимости мгновенно возрастает до 10000°С и выше, что приводит к оплавлению и испарению микрообъема обрабатываемого материала. Жидкая среда диэлектрика интенсифицирует процесс эрозии.

286

Как правило, электрический пробой происходит по кратчайшему пути и прежде всего разрушаются наиболее близко расположенные участки электродов. В результате обрабатываемая поверхность заготовки начинает приобретать форму инструмента. Чтобы процесс протекал непрерывно, оба электрода должны находиться на небольшом и постоянном расстоянии один от другого.

Тепловое воздействие на заготовку при электроэрозионной обработке сопровождается разрушением материала вследствие электростатических и электродинамических, механических и гидравлических (кавитационных) процессов. Основными разновидностями электроэрозионного метода являются электроискровая, электроимпульсная и электроконтактная обработки.

Электроискровую обработку ведут в ваннах с жидким диэлектриком, охлаждающим инструмент, заготовку и продукты их разрушения. Для получения искровых разрядов между анодом (заготовка) и катодом (инструмент) используют преимущественно релаксационную схему генерирования импульсов с частотой 2–5 кГц. Обычно профиль обрабатываемой поверхности заготовки соответствует профилю инструмента, но возможно вырезание различных контуров при помощи движущейся проволоки. Постоянный зазор между инструментом и заготовкой обеспечивается следящей системой электроискрового станка и механизмом автоматической подачи инструмента.

В зависимости от мощности импульсов режим обработки делят на жесткий, средний, мягкий и особо мягкий. Жесткий и средний режимы используют для предварительной обработки с производительностью 1,5–10 мм3/с при шероховатости обработанной поверхности Rz = 160–40 мкм, а мягкий и особо мягкий – для отделочной обработки с производительностью около 0,001 мм3/с при шероховатости Rz = 2,3–0,8 мкм.

Электроискровой обработке целесообразно подвергать заготовки небольших размеров (штампы, фильтры, режущие инструменты и др.) из твердого сплава, тантала, вольфрама, молибдена и подобных по обрабатываемости токопроводящих материалов. Сравнительно низкая производительность процесса и большой износ элек- трод-инструментов (до 50 % и более от объема снятого материала)

287

ограничивают технологические возможности электроискровой обработки.

Электроимпульсная обработка отличается от электроискровой полярностью электродов (инструмент присоединяется к положительному полюсу), большей длительностью импульсов при пониженной частоте их следования (0,4–3 кГц), низким напряжением пробоя и большой плотностью тока при дуговом разряде. Стабильная подача униполярных импульсов позволяет направлять почти всю энергию на разрушение материала заготовки, что дает возможность интенсифицировать процесс и применять графитовые электроды.

Электроимпульсная обработка, для осуществления которой используются конденсаторные батареи или мощные генераторы, главным образом машинные, достигает производительности 100– 300 мм3/с. При этом износ графитовых электродов не превышает 0,1–0,5 %. Электроимпульсную обработку целесообразно применять для предварительного получения сложных поверхностей штампов, лопаток турбин, крупных деталей из коррозионностойких и жаропрочных сплавов.

Электроконтактная обработка характеризуется механическим съемом с заготовки материала, размягченного или расплавленного электродуговыми разрядами. Электродами цепи с источником питания являются обрабатываемая заготовка и быстро перемещающийся относительно нее инструмент.

Электроконтактная обработка отличается высокой производительностью процесса и низким качеством поверхностного слоя, наплывами на кромках обработанной поверхности. При достижимой производительности 3000 мм3/с глубина распространения изменений свойств обрабатываемого материала составляет несколько миллиметров. Лишь на мягких режимах (до 1 мм3/с) можно получить относительно неглубокие микротрещины при шероховатости обработанной поверхности Rz = 80–20 мкм. Электроконтактной обработке подвергают крупные заготовки из различных материалов. Метод нашел также применение для зачистки литейных поверхностей и сварных швов.

288

18.9.3.Радиационно-пучковые технологии

Кметодам обработки этого вида относят резание и модифицирование поверхности изделий и заготовок узконаправленными лазерными, электронными, ионными, плазменными пучками (концентрированными потоками энергии). Переход энергии пучка в тепловую на локальном участке заготовки вызывает расплавление

ииспарение материала с этого участка.

При размерном электронно-лучевом резании остросфокусиро-

ванный до диаметра в несколько микрометров электронный луч с повышенной плотностью энергии в импульсном режиме подается на заготовку. Длительность импульсов при частоте следования 50– 1000 Гц составляет 10–4–10–6 с. Электронно-лучевой метод целесообразно применять для обработки малых отверстий диаметром от 1 мм до 10 мкм, отрезки заготовок из сверхпрочных материалов, прорезания в них пазов. Сложность и высокая стоимость оборудования, ограничение размеров заготовок, обрабатываемых только в вакууме, сдерживает применение этого метода.

Лазерная обработка основана на применении лазерного луча высокой энергии. Температура поверхности в точке воздействия лазерного луча достаточна для превращения в пар любого материала. Лазерная обработка обладает высокой производительностью, отличается удобством обслуживания, отсутствием вакуумных систем. К недостаткам метода следует отнести малый КПД (1,0 %).

Оптические квантовые генераторы применяют для обработки отверстий от 10 до 0,5 мкм глубиной до 0,5 мм (коррозионностойкая сталь, вольфрам, другие труднообрабатываемые материалы), а также для модифицирования поверхности (лазерное глазурование). На специальных станках можно сверлить десятки отверстий в минуту. Системы программного управления, обеспечивающие необходимые перемещения заготовки относительно лазерного луча, позволяют прорезать пазы и вырезать детали со сложным геометрическим контуром.

При ионно-лучевой обработке эмитируемые катодом электроны ионизируют молекулы газа. Ускоренные сильным электрическим полем ионы фокусируются в узкий конический пучок, направляемый на поверхность заготовки. На ионную обработку затрачивает-

289

ся меньше энергии, чем на другие лучевые методы, но она и менее производительна.

Плазменная обработка применяется для различных целей по размерной обработке изделий и модифицирования поверхности. Чаще всего плазму (полностью ионизированный газ, имеющий температуру 10000–30000 °С) используют для разрезания толстых листов из коррозионностойкой стали (до 100 мм) и алюминиевых сплавов (до 125 мм). При разрезке и вырезке, прошивании отверстий головку плазменной горелки ставят перпендикулярно к поверхности заготовки, при строгании и точении – под углом в 40– 60°. В последнем случае струя плазмы полностью расплавляет припуск на обработку и сдувает расплавленный материал.

18.9.4. Радиационно-пучковое модифицирование поверхности

Эксплуатационные характеристики конструкционных материалов, к числу которых относятся коррозионная и эрозионная стойкость, сопротивление разрушению, трению и износу, трещиностойкость и ряд других, определяются состоянием приповерхностных слоев (далее поверхности) конкретных изделий. Например, зарождение разрушения на поверхности обусловлено, по крайней мере, двумя факторами. С одной стороны, поверхность обычно оказывается наиболее нагруженной по сравнению с объемом деталей, причем не редки случаи, когда возникающие в поверхностном слое напряжения превышают предельные уровни. С другой стороны, наличие дефектов поверхности способствует (облегчает) зарождению трещин на поверхности.

В зависимости от условий работы (температура, окружающая среда) и вида нагрузок (постоянные, переменные, циклические) на изделие, определяющих величину, знак и распределение в объеме возникающих напряжений, т.е. напряженное состояние материала, к структурно-фазовому состоянию материала в поверхностном слое и в объеме могут предъявляться разные требования. Например, для повышения сопротивления износу и усталостному разрушению (в условиях циклического нагружения) необходимо иметь прочную поверхность и вязкую сердцевину детали. Другими словами, свой-

290