Файл: Вопросы технологии машиностроения и радиотехники [сборник статей]..pdf

ния, пайка железа-армко оловом протекает при температуре 330° С (4). Поэтому, чтобы дать окончательный ответ о физи­ ческой и технологической паяемости основного металла данным припоем, необходимо определить паяемость в интервале от температуры плавления припоя до температур близких к темпе­ ратуре плавления основного металла. G точки зрения практики пайки, это может быть не всегда является целесообразным. На­ пример, не имеет смысла паять сталь оловом при температуре 1000° С, когда можно применить высокотемпературные припои. Но в отдельных случаях, например, высокотемпературная пайка хладностойкими припоями на основе свинца медных изделий криогенной техники, вполне целесообразна. Поэтому знание паяемости основного металла во всем интервале температур его пайки позволяет обоснованно подходить к выбору припоев.

В обычно применяемых методах оценка паяемости произво­ дится путем замера площади растекания дозированного количе­ ства припоя, величина растекания припоя в определенном направлении на поверхности основного металла, определения глубины затекания в зазор, замера краевого угла смачивания и др. (5—8). Эти методы можно объединить в три группы: 1

1.Методы оценки паяемости путем определения смачивания припоем плоских образцов основного металла. При этом паяе­ мость характеризуется качественно, на основе визуального на­ блюдения за процессом растекания припоя, а также замером площади растекания или краевого угла 'смачивания.

2.Методы основанные на оценке течения припоев в зазорах, образованных поверхностями соединяемых металлов. Паяе­

мость в этом случае оценивается по глубине затекания припоя в зазор горизонтального шва, по высоте подъема припоя в ка­ пиллярном зазоре при вертикальном расположении образца,

атакже" по времени затекания.

3.Методы основанные на измерении усилия, действующего на образец основного металла частично погруженный верти­ кально в расплав припоя.

Простейшие образцы, применяемые для определения паяе­ мости приведены1 на рис. 1. Методы определения паяемости,

отнесенные к 1 группе наиболее просты, поэтому имеют значи­ тельное распространение.

При применении методов f группы для оценки паяемости, листы основного металла режут на квадратные образцы, пра­ вят, удаляют с поверхности окисную пленку, наносят припой, после чего производят нагрев до определенной температуры под флюсом или в искусственной газовой среде. Площадь,' занятая растекшимся припоем, определяется планометрированием.

Глубина затекания в капиллярный зазор низкотемператур­ ных припоев может оцениваться путем определения высоты под­ нятия припоя над уровнем расплава по скрученным проЬоло-1

кам, погруженным одним концом в ванну с расплавленным при­ поем (9).

Для высокотемпературных припоев, при оценке паяемости применяются различные приспособления, наиболее простыми из них являются нахлесточное и уголковое. Паяемость оценива­ ется по максимальной глубине затекания в зазор. Эта методика дает практические ценные сведения о капиллярных свойствах припоев, однако она имеет ряд недостатков и в первую очередь

/- основной метапя; 2 - метамщ&а; 3' Припои.

коробление образцов в следствие чего меняется зазор; каждый

пературе пайки краевого угла смачивания исследуемого припоя на пластинке основного металла (11). Измерение краевых углов смачивания производится' путем проектирования капли жидко­

В отдельных работах оценка паяемости производится в про­ центном отношении (5); Предполагается, что после расплавле­ ния, навеска припоя приобретает форму сферы с диаметром D. В этом состоянии степень растекания припоя принимается за нуль. Полное растекание, когда краевой угол приближается к нулю принимаем за 100%: это происходит тогда, когда высота Н растекшейся по поверхности основного металла навески при­ поя стремится к нулю. Таким образом, степень растекания при­ поя или паяемости характеризуется отношением:

Согласно предложенной шкалы, паяемость по этому способу имеет место, если данное отношение, называемое коэффициен­ том растекания Песселя, превышает 70—75% (3, 8). Подобная оценка паяемости весьма условна. Она исходит из предположе­

34

ния, что сила тяжести на расплавленный припой не действует, нет взаимодействия между основным металлом и припоем, флю­ сы и газовые среды на процесс смачивания не оказывают влия­ ния, что не соответствует действительности. Кроме этого приве­ денная зависимость исходит из того, что площадь растекания припоя линейно зависит от уменьшения высоты слоя расплав­ ленного припоя, что в действительности также не соблюдается. Результаты подобных опытов в сильной мере зависят от количе­ ства использованного припоя. Поэтому данная методика может дать весьма приближенную качественную оценку паяемости.

При определении паяемости всеми существующими метода­ ми основным недостатком является отсутствие стабильных и на­ дежных критериев оценки результатов экспериментов. Показа­ телем хорошей паяемости обычно является растекание припоя тонким ровным слоем без пор и раковин. Однако это не харак­ теризует степень сцепления образовавшейся пленки с основным металлом. Поэтому для оценки паяемости до настоящего време­ ни наиболее надежным методом являются механические испы­ тания и металлографические исследования паяных образцов.

Применяемые в настоящее время методы оценки паяемости касаются в основном определения технологических параметров, они не оценивают интенсивности процесса образования связей в зависимости от физико-химических свойств основного металла и припоя и энергетических параметров процесса пайки. Решение вопроса объективной оценки физической паяемости может быть получено только при разработке этого аспекта проблемы.

Welding Journal, № 3, 1962 r.

11. Ж е м ч у ж и н а E. А. Исследование смачивания вольфрама и молиб­ дена расплавами чистого золота и чистого серебра, а также сплавами этих металлов с платиной. Сборник «Физическая химия металлургических процес­ сов и систем», Металлургиздат, 1966 г.

ПЕТРУНИН А. И.

СОВМЕСТНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ПРИ ПАЙКЕ СТАЛЕЙ АЛЮМИНИЕМ

При образовании паяного соединения путем кристаллиза-

. ции металла зоны сплавления на подложку в зоне спая, как пра­ вило, возникает резкая граница раздела. Кристаллизующийся металл зоны сплавления испытывает при этом в большей или меньшей мере ориентирующее воздействие со стороны твердого основного металла, однако это не приводит к образованию на межфазной границе четко выраженных общих зерен. В отдель­ ных же.случаях взаимодействие на границе основной металлрасплавленный припой приводит к образованию общих зерен и кристаллизация в этом случае напоминает совместную кристал­ лизацию, протекающую в сварочной ванне при сварке плавле­ нием. Такой тип кристаллизации, как установлено на основе эк­ спериментов, связан с частичным оплавлением зерен основного металла в результате снижения температуры плавления обра­ зующегося в диффузионной зоне сплава в ходе диффузионного насыщения компонентами припоя. Аналогичная кристаллизация наблюдается, в частности, при пайке алюминием низкоуглеро­ дистой электротехнической стали марки НЖ.

Исследование характера взаимодействия между основным ■металлом и припоем производилась путем металлографическо­ го и рентгеноструктурного' анализа, а также замером микро­ твердости. В качестве основного металла использовалась низ­ коуглеродистая электротехническая сталь марок НЖ МРТУ— 14—2—31—65 вакуумной переплавки (армко-железо).

Нагрев производился в вакууме 5-10-4 мм рт. ст. Образцы основного металла размером 20X20X5 и 6X6X5 после зачист­ ки соединяемых поверхностей микронной шкуркой, промывки в ацетоне с последующим обезжириванием в спирте подверга­ лись пайке. Припой укладывался около меньшей пластины, сво­ бодно положенной по Центру большей или вносился в виде по­ рошка в зазор между пластинами.

Железо с алюминием1 образуют ограничения твердые рас­ творы и химические соединения (1). В этой системе обнаружены интерметаллиды FeAl3, Fe2Al5, FeAl2 и FeAl. Согласно исследо­ ваний сварных соединений железа с алюминием наименьшей прочностью обладает интерметаллид Fe2Al5 (т) — фаза).

При пайке железа с применением в качестве припоя алюми­ ния процесс взаимодействия между ними имеет ряд особенно­ стей. Нагрев в вакууме 5-10-4 мм рт. ст. до температуры плав­

36

пор, пока температура не достигает 1200° С. При этой темпера­ туре алюминий смачивает основной металл и интенсивно взаи­ модействует с ним. Кристаллизация зоны сплавления приводит к образованию крупных зерен, при этом происходит совместная кристаллизация основного металла и расплава припоя в зо­ не шва.

Это связано с тем, что в зоне спая происходит частичное оп­ лавление кромки основного металла результатом чего является образование общих зерен. Оплавление диффузионной зоны вы­ зывается тем, что при 1200° С в диффузионной зоне образуется сплав железо-алюминий, который в процессе пайки переходит в жидкое состояние. Интенсивность диффузионных процессов в зоне спаев при температуре пайки настолько интенсивна, что при зазорах менее 0,2 мм в отдельных случаях происходит пол­ ное сращивание соединяемых поверхностей и по микрострукту­ ре не представляется возможным выделить отдельные зоны шва. С увеличением зазора до 0,4—0,5 мм затвердевание в шве уже менее характерно для совместной кристаллизации и обра­ зования непрерывной структурной связи в шве не происходит. При анализе микроструктур можно видеть что, несмотря на длительную выдержку граница основной металл-зона сплавле­ ния при увеличенных зазорах четко очерчена.

В галтельной части шва, где имеется избыток припоя проис­ ходит перекристаллизация в поверхностном слое железа в ре­ зультате чего зерна приобретают ориентировку под углом 45— 60° к плоскости спая.

При исследовании микроструктур в зоне сплавления по гра-' нице с основным металлом просматриваются полосы повышен­ ной травимости, образовавшиеся за счет выделения на под­ ложку твердого раствора с более высоким содержанием железа.

Замеры микротвердости, показали, что если на образцах, паянных с выдержкой 0,5 мин. микротвердость основного ме­ талла на границе с зоной сплавления составляет 80—82 /сз/лш2, а центральная часть зоны сплавления 122— 135 кг/мм2, то мик­ ротвердость в соединениях, паянных с выдержкой 15 мин. зна­ чительно возрастет. В зоне спая микротвердость основного ме­ талла составляет 105— 116 кг/мм2. Распределение микротвердо­ сти на образцах паянных с выдержкой 0,5 и 15 мин. приведено на рис. 1. Повышение микротвердости как основного металла у границы с зоной сплавления, так и зоны сплавления с увели­ чением времени выдержки при пайке связано с выравниванием концентрации железа в шве и образованием интерметаллидов. Однако рентгецоструктурный анализ зоны спая показал нали­ чие только интерметаллида FeAl. Наиболее хрупкого и мало­ прочного интерметаллида Fe2Al5, который является причиной низкой прочности сварных соединений железа с алюминием, при пайке не обнаружено. Согласно диаграммы состояния же­ лезо — алюминий интерметаллиды преимущественно образуют­

37