4.4. Особенности формирования структуры при кристаллизации паяных швов разнородных металлов

Одним из преимуществ пайки, как способа создания неразъемных соединений, является возможность создания конструкций из разнородных материалов. В таких конструкциях наиболее полном используются физико-химические и механические свойства материалов. В практике паяльного производства могут соединяться пайкой разнородные материалы (Ti-Al,Fe-Al,Cu-Wи другие) или материалы одной металлической основы различающиеся легирующими компонентами или их концентрацией.

Так как после заполнения соединительного зазора жидким припоем в контакте с ним находятся материалы различного состава, взаимодействие их через жидкую фазу имеет свои особенности.

В результате различной растворимости соединяемых металлов или в случае растворимости одного и нерастворимости второго, в жидком припое образуется градиент концентрации , при котором у поверхности соединяемых металловАиСона достигает равновесных для температуры пайки значенийисоответственно. В результате процесса выравнивающей диффузии атомы металла с большей растворимостью переносятся и осаждаются на межфазной поверхности металла с меньшим значением растворимости, взаимодействуя с ним в соответствии с диаграммой фазового равновесияА-С. При этом обе межфазные границы смещаются в сторону металла с большим значением растворимости: одна – за счет растворения, другая – за счет осаждения.

Рис. 4… Линии ликвидуса разнородных материалов А и С при взаимодействии сприпоемВпри температуре пайкиТ_П.

В– основа припоя,А(В)– кривая растворимости паяемого металла А в припое В,С(В)– кривая растворимости паяемого металла С в припое В,

Примером могут служить соединения Fe с Mo и W при использовании в качестве припоя меди (рис. 4.24, 4.25). На поверхности Mo и W, которые при температуре пайки 1225С в меди не растворяются, осаждается слой Fe, причем на границе Fe-Mo и Fe-W образуются тонкие слои интермметаллидов Fe₇Mo₆и Fe₇W₆соответственно, а в образовавшемся слое Fe содержится 10-15% Mo и около 3% Cu для сочетания Fe-Mo, а для сочетания Fe-W кроме интерметаллида Fe₇W₆наблюдаются два слоя – наружный с 10-14% Cu, 1-2% W и внутренний с 9% Cu, 3-9% W.

Рис. 4.24. Массоперенос в микроструктуре паяного шва FeсW, припой – медь, Тп=1125ºС, время выдержки 30 мин.

Рис. 4.25. Массоперенос в микроструктуре паяного шва FeсMo, припой – медь, Тп=1120ºС, время выдержки 5 мин.

Н

0

аиболее интересный случай формирования структуры при пайке разнородных материалов наблюдается для углеродистых сталей с различным содержанием углерода, паяных медью. В этом случае, более растворимая в жидкой меди сталь с меньшим содержанием углерода переносится к поверхности стали с большим содержанием углерода, при этом, в результате такого массопереноса, на поверхности высокоуглеродистой стали образуется не слой с плоским фронтом, как в приведенных выше примерах, а растут столбчатые кристаллы, ориентированные во встречном массопереносу направлении (рис. 26). При этом ширина зазора увеличивается, в растущие дендриты диффундирует углерод, в результате чего поверхностный слой стали с большим содержанием углерода обезуглероживается. Такая структура формируется только при малых (<50 мкм) зазорах, и при достаточном времени выдержки столбчатые кристаллы достигают поверхности малоуглеродистой стали. Сопротивление срезу таких паяных соединений повышается до значений, близких к соответствующей характеристике стали. На процесс формирования такой структуры оказывают влияние величина зазора, различие в содержании углерода в соединяемых сталях, температура пайки и время выдержки. Сопротивление срезу тем больше, чем меньше зазор, больше время выдержки и различие в содержании углерода.

Рис. 4.26. Массоперенос с образованием столбчатых кристаллов при пайке сталей с различным содержанием углерода (0,09% и 0,95%) при величине зазора 50 мкм, Т_п=1125ºС, и различным временем выдержки, припой – медь.