Технологии пайке |

Часть 11

Воскресенье, 13 Сен 2009

Начиная с определенной величины зазора, кристаллизация металла зоны сплавления идет с образованием по ширине шва одного ряда плоских зерен. В этих случаях кристаллизация происходит без разделения компонентов и твердый раствор в шве имеет более высокое содержание железа по сравнению с равновесным.

При механических испытаниях пластическая деформация развивается первоначально в шве — прослойке на медной основе, имеющей более низкое значение предела текучести, чем у основного металла. Однако в зонах спаев поперечный сдвиг медной прослойки сдерживается, поскольку основной металл еще не деформируется. В результате в медной прослойке возникает напряженное состояние объемного растяжения. Максимальные касательные напряжения, под действием которых происходит пластическая деформация и разрушение материала путем сдвига, в условиях трехосного растяжения металла прослойки будут меньше, чем при одноосном растяжении, что и является причиной относительного упрочнения шва. Эффективность контактного упрочнения возрастает с уменьшением отношения толщины медной прослойки к ее диаметру. В результате нормальные напряжения в прослойке могут значительно превысить предел прочности ее материала, определенный при свободной деформации. Количественная сторона явления контактного упрочнения развита в работах Бакши О. А.


Часть 10

Воскресенье, 13 Сен 2009

Уменьшение зазора и следовательно, количества затвердевающего металла в конечном счете приводит к образованию плоских границ зерен при пайке как однокомпонентными, так и многокомпонентными припоями.

С уменьшением зазора под пайку от 2 до 0,3 мм предел прочности стыковых соединений при пайке железа медью возрастает с 26 кгс/мм2, что выше прочности припоя в исходном состоянии, до значения, равного прочности железа (34,5 кгс/мм2). При зазоре 0,3 мм медная прослойка оказывается равнопрочной с основным металлом. Дальнейшее уменьшение величины зазора приводит к тому, что зона сплавления оказывается прочнее основного металла. При механических испытаниях разрушение образцов происходит по основному металлу и прочность стыковых соединений, выполненных с зазором 0,15 мм и менее, перестает зависеть от толщины медной прослойки.

Поскольку состав зоны сплавления зависит от величины зазора под пайку и с уменьшением зазора содержание основного металла в зоне сплавления возрастает, то наблюдаемая зависимость прочности паяного соединения от величины зазора может быть объяснена различной прочностью образующегося в шве сплава, изменением структуры шва с уменьшением зазора и «контактным упрочнением».


Часть 9

Воскресенье, 13 Сен 2009

При пайке железа медью с разными зазорами структура, формирующаяся при затвердевании расплава, оказывается при прочих равных условиях различной в малых и больших зазорах. В широких зазорах (0,5—2 мин) кристаллизация происходит с образованием развитой дендритной структуры и имеет характер объемного затвердевания. Содержание железа в осях дендритов достигает 4%, а на периферии падает до 2—2,5% (по массе). Смена форм затвердевания с изменением величины зазора вызывается изменением условий кристаллизации. Согласно существующим представлениям, тип кристаллизации сплавов определяется градиентом температуры расплава, а также величиной и протяженностью области концентрационного переохлаждения вблизи фронта кристаллизации. При прочих равных условиях уменьшение зазора, а следовательно, слоя кристаллизующейся жидкости, начиная с определенного момента, приводит к таким изменениям указанных факторов, что дендритная форма кристаллов постепенно уступает место ячеистой, а последняя — преобладающему росту кристаллов с гладкой поверхностью. Окончательная кристаллическая структура металла зоны сплавления не соответствует первоначальным формам роста кристаллов. Новые границы зерен в шве пересекают в произвольных направлениях дендритные и ячеистые кристаллы. При больших зазорах имеются участки, где «вторичные» границы совпадают с пограничными зонами первичных дендритов. При малых зазорах структура шва по ширине представляет собой один слой зерен. Возникновение вторичной структуры в литых сплавах связывается с образованием при кристаллизации большого количества дефектов (дислокаций и вакансий), способных перемещаться и группироваться в определенных участках затвердевающего металла.


Часть 8

Воскресенье, 13 Сен 2009

При увеличении температуры пайки независимо от времени выдержки структура швов остается однофазной: твердый раствор железа в меди. Отсутствие временной зависимости дает основание предположить, что составы жидких фаз в шве при температурах пайки соответствуют равновесным, т. е. ликвидусу диаграммы состояния железо — медь, как и в случае пайки при 1100° С. После кристаллизации такие сплавы должны иметь двухфазную структуру, состоящую из твердых растворов на основе меди и на основе железа. Отсутствие в структуре зон сплавления второй из указанных фаз обусловлено ее выделением на поверхности основного металла в виде прикристаллизованных слоев, что и подтверждается микрорентгено-спектральным анализом образцов, паянных при температуре 1350° С. На кривой распределения отчетливо видна остановка, соответствующая слою твердого раствора на основе железа (11% меди).

В соответствии с диаграммой состояния уменьшение растворимости железа в жидкой меди при охлаждении приводит к выделению фазы, богатой железом. Последняя в условиях образования растворно-диффузионного спая выделяется в виде эпитаксиального слоя на границе с основным металлом.


Часть 7

Воскресенье, 13 Сен 2009

Изменения химического состава шва в зависимости от величины зазора при пайке никеля медью, меди припоем ПСр 70, алюминия цинком, цинка припоем ПОСК-51. Как видно из кривых, во всех случаях с уменьшением зазора содержание основного металла в шве увеличивается. Если предположить, что перенос основного металла в расплав припоя при растворении происходит исключительно за счет атомарной диффузии, подчиняющейся уравнению Фика, то можно оценить время, необходимое для насыщения, например, меди железом при пайке.

Вследствие ликвации при кристаллизации экспериментально можно определить лишь средний состав зоны сплавления.

Поскольку минимальное время выдержки при температуре пайки принято 1 мин, временной зависимости состава жидкой фазы в зазоре 0,1 мм наблюдаться не должно, что и подтверждается экспериментами.

Расчет не учитывает конвекционного переноса в расплаве и капиллярного давления, в силу чего дает завышенное время насыщения меди железом. В действительности растворение должно происходить с гораздо большей скоростью.


Часть 6

Воскресенье, 13 Сен 2009

Исследование влияния количества жидкой фазы в шве на формирование спая на примере пайки низкоуглеродистой электротехнической стали марки НЖ по МРТУ 14—2—31—65 (армко-железо) показало, что в среде водорода в больших зазорах порядка 0,5—2 мм кристаллизация в шве происходит с образованием развитой дендритной структуры. При зазорах 0,4—0,3 мм затвердевание идет путем образования и роста крупных ячеистых кристаллов на границе с железом и разветвленных кристаллов в центральной части шва. С уменьшением зазора преобладающей становится ячеистая форма затвердевания. При зазоре 0,05 мм кристаллизация происходит путем образования по ширине шва одного ряда плоских зерен. Зона сплавления в случае пайки армко-железа медью при температуре 1100° С представляет однофазный твердый раствор железа в меди. Результаты определения среднего состава зон сплавления на установке МАР-1 в зависимости от величины зазора и времени выдержки.

Результаты экспериментов позволяют сделать вывод, что при применяемых зазорах и выдержках средний состав зон сплавления даже без учета прикристалли-зованных слоев непостоянен. Содержание растворенного в зоне сплавления основного металла возрастает с уменьшением зазора.


Часть 5

Воскресенье, 13 Сен 2009

Процесс, приводящий к образованию по границам зерен своеобразных диффузионных клиньев. Структура этих клиньев, выявленная с применением оптического и электронного микроскопов.

Существенный вклад в проникновение припоя по границам зерен может внести также адсорбционный эффект понижения прочности. Жидкий припой, затекая в трещины, образующиеся по границам зерен, взаимодействует со стенками и в зависимости от наклона границ, уровня напряжений, влияния примесей и других факторов приводит к образованию различной величины диффузионных клиньев.

Анализ микроструктур паяных швов позволяет заключить, что на процесс образования спая и соответственно на его прочность решающее влияние оказывает чистота поверхности основного металла. Видно, что спая по границе основной металл — шов фактически нет. Это связано не только с недостаточным флюсованием основного металла, но и с включений из расплава зоны сплавления при кристаллизации.


Часть 4

Воскресенье, 13 Сен 2009

В данном случае имеет место повышенное проникновение припоя по границам зерен, обусловленное рядом факторов, связанных с диффузией малорастворимой примеси.

Диффузия малорастворимой примеси сопровождается образованием дислокаций, по которым в процессе канальной диффузии происходит активное проникновение жидкого металла.

Возникновение этих дислокаций обусловлено упругими напряжениями, которые релаксируются в процессе диффузии.

Расчеты и эксперименты показывают, что у поверхности образца плотность дислокаций примерно в 10 раз больше, чем в объеме, и убывает с увеличением расстояния от поверхности. Глубина дислоцированного слоя, например для системы железо — индий, превышает глубину диффузионного слоя в 6 раз. Образовавшиеся в процессе диффузии дислокации и малоугловые границы, являясь путями коротких циркуляции, ускоряют иррегулярную диффузию примеси в объеме зерен. Этим и объясняется повышенное диффузионное проникновение по границам зерен. В приведенном случае пайки армко-железа золотом последнее, диффундируя по большеугловым границам и в объеме зерен основного металла, инициирует создание дислокационной сетки, имеющей наибольшее развитие по границам зерен. Повышенная проницаемость границ зерен обусловлена, с одной стороны, повышенной диффузионной подвижностью самой границы зерен, с другой — возникновением вокруг границ зерна области с повышенной диффузионной проницаемостью, которая может рассматриваться как диффузионная граница с существенно большей эффективной шириной.


Часть 3

Суббота, 12 Сен 2009

При пайке железа медью, несмотря на то, что металлографическая картина ориентированной кристаллизации осложнена наличием полиморфного превращения в железе, рентгеновским методом установлено, что отдельные зерна железа находятся в определенном ориентационном соотношении с соответствующими зернами меди. Более четко эпитаксию меди можно наблюдать при пайке углеродистой стали. В этом случае границы бывших аустенитных зерен, обозначенные выделениями феррита в доэвтектоидной стали и сеткой цементита в заэвтектоидной, совпадают с границами зерен меди.

Таким образом, при формировании спая параметры решетки кристаллизующегося металла могут как уменьшаться, так и увеличиваться, приближаясь возможно точно к параметрам кристаллической решетки основного металла.

При наличии на поверхности паяемого металла окисной пленки или слоя интер-металлического соединения ориентирующее действие основного металла даже при незначительной толщине указанных слоев практически не проявляется.

На процессы, протекающие на границе твердой и жидкой фаз, большое влияние оказывает диффузия. Микроструктура шва при пайке армко-железа золотом в среде водорода с точкой росы —50° С, из которой можно видеть, что золото интенсивно диффундирует в основной металл.


Часть 2

Суббота, 12 Сен 2009

Влияние паяемого металла на процесс образования спая сказывается и непосредственно при кристаллизации, которая происходит на готовых поверхностях раздела. При этом образование зародышей кристаллов на поверхности основного металла зависит от характера смачивания последнего припоем. Чем меньше краевой угол смачивания, тем меньше затрат энергии требуется для образования зародыша. Если краевой угол мал, то для зарождения зародыша кристалла требуется незначительное переохлаждение. Поскольку обязательным условием пайки является смачивание припоем основного металла, то условия зарождения центров кристаллизации при этом весьма благоприятны.

Влияние твердой поверхности основного металла приводит к тому, что кристал-лизация с самого начала в той или иной степени ориентирована, т. е. имеет место определенное соотношение между формой и размерами кристаллической ячейки металла зоны сплавления и основного металла. При наличии ориентирующего влияния подложки структура металла зоны сплавления образуется в результате развития трех последовательных стадий процесса. На первой стадии ориентировка формирующихся кристаллов целиком определяется подложкой. Следующая стадия характеризуется появлением двойников и других структурных несовершенств в связи с уменьшением ориентирующего влияния основного металла. На третьей стадии наблюдается или поликристаллическая структура, или возникает текстура роста. В зависимости от соотношения параметров решетки кристаллов основного металла и кристаллов, образующихся из расплава, ориентированная кристаллизация может протекать по-разному. Выделяющаяся из расплава новая фаза отличается от основного металла видом атомов, типом и параметрами решетки. Образующиеся из нее кристаллы сопрягаются с подложкой такой кристаллографической плоскостью, в которой расположение атомов наиболее подобно расположению аналогичных атомов в грани кристалла основного металла. Вероятность такой кристаллизации будет тем больше, чем меньше различия межатомных расстояний в плоскостях сопрягающихся фаз. Так, при осаждении алюминия на монокристаллические пластинки платины, при ориентированной кристаллизации меди на никель силы притяжения атомов основного металла вынуждают атомы осаждающегося металла занимать узлы не своей решетки, а решетки подложки. Следовательно, кристалл основного металла навязывает образующемуся кристаллу свой собственный период решетки. Деформация постепенно, с увеличением толщины слоя растущего кристалла, снижается. При определенной толщине слоя, контактирующего с подложкой, кристалл приобретает обычный для него параметр решетки. Данное обстоятельство свидетельствует о том, что при пайке в зоне контакта основной металл — расплав при наличии ориентированной кристаллизации и различии между кристаллами подложки и образующимися из расплава существует промежуточный слой, в котором решетки как образовавшегося кристалла, так и кристалла подложки находятся в напряженном состоянии.


Часть 1

Суббота, 12 Сен 2009

Исследования структуры жидких веществ рентгенографическими и нейтроногра-фическими методами показали, что при плавлении происходит разрушение дальнего порядка кристалла. Ближний порядок сохраняется. Сохранение жидкостью ближ-него порядка при температурах около точки плавления обусловлено электронным строением внешних оболочек ионов и взаимодействием их при образовании связей.

При пайке процесс кристаллизации на подложку характерен: активным взаимодействием между расплавленным припоем и основным металлом;

ориентирующим влиянием на процесс кристаллизации подложки (основного металла);

зависимостью характера кристаллизации и прочности образующегося соединения от количества припоя в зазоре.

Процессы образования соединения при пайке протекают обычно в зазоре порядка 0,05—0,2 мм, поэтому количество жидкого металла, находящегося в нем, незначительно Взаимодействие между твердым и расплавленным металлами приводит к значительному изменению, состава жидкой фазы, особенно при высокотемпературной пайке припой интенсивно легируется компонентами основного металла. Легирование усиливается в связи с отсутствием на основном металле окисной пленки и наличием вследствие этого непосредственного металлического контакта с припоем. При пайке происходит интенсивное растворение основного металла в расплавленном припое. Растворение ослабевает, когда в припои вводят компоненты, входящие и в состав основного металла Исходный состав припояв процессе пайки может меняться не только за счет растворения в нем основного металла, но и в результате избирательной диффузии компонентов припоя в основной металл, испарения наиболее летучих компонентов припоя, окисления и удаления в шлак за счет газовой фазы или окислов основного металла.