|
| |
|
Слаботочка Книги режим пайки и температура распайки соединений тугоплавких металлов и сплавов. Для предотвращения пористости, возникающей в результате эффекта Киркендалла. зазоры при диффузионной пайке стремятся выбирать минимальными. Широкие ео.чмо-жности формирования в шве структуры с трсбуемы.м комплексом эксплу-a-auHoifHbix свойств открываются при сочетании диффузионной пайки с использованием композиционных припоев. Некапиллярная пайка При некапиллярной пайке разделка кромок соединяемых деталей аналогична подготовке, применяемой при сварке. Этот вил пайки обычно используют для изделии из чу1уна и выполняют припоя.ми из латуни с добавками Si, Мп, Р и А1. При соединении изделий толщиной более 4 мм рекомендуется У-образна5 разделка крсмок под угло!и 70-90. чугун желательно предварительно подогревать до 250 -С. При пайке труб диаметром более 50 мм из меди применяют аиетилено-кислородное пламя с рдуванием через сопло легкоиспаряющегося флюса с использованием серебряного припоя. Применение электродугового и газопламенного нагрева является наиболее распространенным способом получения паяно-сварных соединений сплавов на основе А1, Си, Fe. Be, тугоплавких металлов и др. Некапиллярная пайка применяется при соединении разнородных металлов за счет расплавления более легкоплавкого металла и смачивания им поверхности более тугоплавкого металла. Необходимая температура подогрева поверхности тугоплавкого металла достигается за счет регулирования величины смещения электрода от оси шва к более тугоплавкому металлу. Особенности формирования соединения при некапиллярной пайке проанализированы для сочетаний Zi Ti, Zr -г Xb, Nb - Ti, Nb-r V. Химический состав металла шва и очертания границ сплгвтения определяются кинетикой растворения кромки туго- плавкого металла [4]. Если образование соединения происходит между металлами, на диаграмме плавкости которых имеется минимум, усредненный состав шва можно определить проводя горизонталь от температуры плавления более легкоплавкого металла В до пересечения с линией ликви.дуса более тугоплавкого. Этот состав, отвечающий равновесной раствор и.м ости ci (см. рис. 2, а) при температуре плакления более легкоплавкого металла Снапри-мер, для Zr с Nb d 40-50 % Zr) будет определять состав большей части шва и состав шва в области, прилегающей к более тугоплавкому металлу fNb). Со стороны более легкоплавкого металла (Zr) состав шва определяется (см. рис. 2, а) составо.м сплава, имеющего наименьшую температуру плавления на диаграмме (с.\ = 20-=-30 % Nb). Расслоение жидкости наблюдается во всех случаях и не зависит от режимов процесса. Протяженность области сплавов, имеющих наиболее низкую температуру плавления, зависит от толщины соединяемых элементов, смещения источника (Д), зазора (а) и изменяется от 0,08 до 1,5 мм и более. Для соединений металлов, не имеющих на диаграмме плавкости точки перегиба (например Ti Н- Nb), характер расслоения в шве (расположение слоев: 80-90 % Nb у Nb и 30-40 % Nb в шве) определяется объемом ванны, турбулентными потоками в ней и зависит от энергии, определяющей значение То (см. рис. 2, а), и смещения источника (Д) наблюдается на всех режимах пайки Следует отметить, что вследствие неравновесности протекающих процессов, обусловленных большими скоростями протекающих процессов, не всегда правомерно использовать равновесную диаграмму состояния В неравновесной диаграмме линия ликвидус сдвигается в сторону линии солидус. Поэтому при анализе химического состава необходимо точку с] сдвигать к с\ {см. рис. 2, о). Полученные пайкой соединения циркония и титана с ниобием обладают высокими механическими свойствами 14], что обусловлено отсутствием п шве хрупких химических соединений и эвтектик. Пайка композиционными припоя- ]ни - пайка припоями, имеющими гетерофазную структуру псевдосплава. Наполнитель композиционного припоя в виде порошка, сетки, волокон образует разветвленный капилляр, удерживающий большую часть жидкого припоя (матрицы), излишками которого осуществляется смачивание поверхностей паяемых материалов. В работах [3, 6] рассмотрены возможности и перспективы применения композиционных материалов при пайке. Композиционная структура в шве может быть получена за счет применения композиционного припоя, при диспергировании паяемых материалов или в процессе диффузионной пайки. Наполнитель в большинстве случаев обеспечивает основные физико-механические, в частности, прочностные свойства. Матрица может вводиться в припой в виде порошков или покрытий, которые наносятся на паяемые поверхности. По способу введения в зазор ко-мпозиционные припои подразделяются на четыре основных вида: применяемые в виде многослойных покрытий; используемые в виде фасонных или простых профилей (фолы, лент, втулок и т. д.), получаемых методами порошковой или волокнистой металлургии в сочетании с обработкой давлением (прокатка, штамповка после пропитки матрицей порошков или волокон); методами нанесения покрытий на профили и т, д.; применяемые в виде смеси порошков или паст, которые обычно вводят в зазор непосредственно перед пайкой; комбинированные способы - сочетания приведенных выше видов. Теоретический и экспериментальный анализы показывают, что волокна являются паибазее эффективным упроч-нителем. Эффективность упрочнения (коэффициент упрочнения), определяемая отношением пределов текучести композиционного к неармированному материалу, зависит от отношения длины к диаметру волокна, средней проч-и его объемного содержания, мачения коэффициента упрочнения ЛЯя данного класса материалов дости-Логг 40-оО. Матрица действует как Да, передающая напряжение, а ект упрочнения определяется свой- ствами волокон. Коэффициент упрочнения - материала частицами зависит от их дисперсности, объемной доли, равно.мерности распределения и определяется в основном способностью тормозить движение дислокаций. Коэффициент упрочнения, составляющий 5-30, характерен для дисперсных систем ра.змером частиц 0,1 мкм. В керметах, состоящих из мелких керамических частиц с ffq - 0,1ч- 10 мкм в металлической матрице коэффициент упрочнения изменяется от 5 до 0,5. Упрочнение дисперсньши частицами наиболее эффективно при работе в области повышенных температур. Наибольшая прочность и стабильность структуры при повышенных температурах характерна для материалов, армированных волокнами, так как у них меньше свободная поверхностная энергия и соответственно ниже склонность к перестариванию. Наполнитель, как и матрицу, выбирают, исхо.дя из эксплуатационных требований. Основное требование к матрице сводится к обеспечению качественного смачивания наполнителя и паяемых поверхностей. Матрица по возможности должна быть инертна к наполнителю, обладать достаточным уровнем плас-стичности и вязкости, не образовывать хрупких соединений при взаимодействии с паяемыми материалами, иметь более низкий модуль упругости по сравнению с наполнителем и температуру плавления, превышающую температуру работы изделия. Коэффициент относительной жаропрочности (ТрабТцл) для традиционных никелевых сплавов составляет 0,76Гпл. а для дисперсионно упрочненных никелевых сплавов - не менее 0,97ил (7раб> 1200-=-1300-С). По геометрии упрочняющих компонентов колшози-ционные припои могут быть с одномерными ко.мпонентами (например, волокнистые материалы); с двухмерными компонентами (например, слоистые материалы); с нульмерными компонентами (материалы, армированные частицами различной дисперсности). В настоящее время выделяют три основных способа применения композиционных припоев и получения ко.МПОЗИЦИ0НН0Й структуры паяных швов.  Способы пайки Некапиллярная пайка Первый способ включает в себя пайку припоями, обеспечивающими возможность получения в шве структуры твердых растворов, оптимальной при работе изделий в условиях воздействия агрессивных сред, циклических нагрузок и сверхнизких температур. В этом случае композиционные припои используются в виде многослойных фолы, покрытий, послойного нанесения порошков, сеток в сочетании с ленточным или порошковым припоями. Для снижения температуры пайки компоненты слоев подбирают таки.м образом, чтобы в процессе контактного плавления происходило образование жидкой фазы, обеспечивающей смачивание и растворение паяемых материалов, покрытий, буферных прослоек и легирование шва, что придает соединению высокие механические и коррозионные свойства. Так, для получения прочных паяных соединений из титановых сплавов применяют покрытия систем Си-Zr (Oj, 5404-640 МПа) слож.ные покрытия Си - (Со-Ni)-Си (ов л; 660 МПа), режим пайки 950- 1000X, время 15-60 мин. Дальнейшее увеличение прочности до 870 Л1Па (при 980 X, 120 мин) было достигнуто при использовании покрытия 80 % Си -Ь 20 % Ni. Введение никеля снижает количество интерметаллид-ной фазы TisCu. Шов состоит из твердого раствора а-титана и небольшого количества равномерно распределенных включений TigNi легированных медью [9]. При пайке ниобия с .медью и ниобия со сталью 12Х18Н10Т для снижения хрупкости предложены слоистые композиционные проставки, позволяющие регулировать количество жидкости за счет ограничения содержания активного металла (фольга из титана , размещенного в шве. Прочность шва, имеющего структуру твердого раствора системы Си-Ti-Nb, близка к прочности паяе.мых материалов. Для ограничения растекания припоя и запаивания узких каналов при пайке гофрированных или сребренных конструкций перспективно применение двухслойного композиционного припоя, состоящего из сетки, и припоя в виде фольги или смеси порошков. Второй способ применения композиционных припоев характеризуется получением в шве композиционной структуры в процессе диффузионпон пайки или диспергирования, причем исходный припой может не иметь композиционной структуры. При пайке жаропрочных никелевых сплавов, например, Udimet 700 массовые доли, %: Ni-15Сг-18,5Со-5 Д\о-4,3 А- 3,3 Тт-0,07 С-0,03 В основу припоя составляет сплав, аналогичный основе паяемого металла, из которого исключены такие элементы, как титан и алю.миний, образующие хрупкие соединения на межфазных границах, и в который введен бор (до 3 %) [17]. Расплав припоя состава (массовые доли), %: Xi-15 Сг-15 Со-5 .Мо- 2,5 В вводится в зазор 0,025-0,1 мм. В процессе диффузионной пайки при температуре 1150Х, совмещенной с отжигом в течение 24 ч, происходит легирование шва титаном и алюминием и выравнивание состава и структуры за счет выпадения в шве у -фазы типа Ni3(AITi). Образующиеся паяные соединения равнопрочны паяемому материалу при температуре 980°С. Композиционная структура в шве может быть получена в процессе квазисамопроизвольного диспергирования. Эффект диспергирования при пайке в основном исследовался на системах с отсутствием взаимной раство-ри-мости. Анализ показывает, что размер частиц, заполняющих зазор, уменьшается (в соответствии с различием .межатомных раз.меров взаимодействующих металлов) в направлении Мп->-->- Sn- Ag- Си. Исследование вклада эффекта диспергирования в .механические свойства паяных соединений сплава вольфрама W-3.Xi-2Cu припоем системы Ni-Мп-Сг-Со показал что интенсивность эффекта зависит от характера напряженного состояния поверхности сплава, температуры пайки и ширины зазора. Наиболее интенсивно эф)ект проявляется при 1300-1320Х, выдержка 10-15 мин, зазор 0,05 мм. В этом случае частицы вольфрама размером ~10 мкм и менее заподняют практически всю ширину шва. Из анализа математической модели [2] следует, чго вклад в упрочнение шва от диспергирования в 2 раза выше, чем от дисперсных частиц, вво.диных в припой для повышения жаропрочности (0,16% В-0,37% Zr-0,3% WC). Длительная прочность соединений в десятки раз выше, чем при пайке припоем ПЖК-35. Эффект диспергирования проявляется и в системах с ограниченной растворимостью (например. Ре-Си), особенно при использовании локальных источников нагрева. В тех случаях, когда возможна растворимость твердой фазы в припое, существенное упрочнение может быть достигнуто вследствие сращивания соединяемых поверхностей в процессе жидкофазного спекания частиц, перешедших в зазор. Третий способ характеризуется применением припоя, сохраняющего композиционную структуру в шве после пайки. Обычно методами волокнистой металлургии получают губчатообраз-пую сетку, состоящую из стальных волокон диаметром 13 мкм и более (длина волокна в 20 раз больше диаметра). Сетку спекают и пропитывают расплавом припоя и прокатывают до нужной толщины (0,05 мм и более). Объемная доля волокна 10-20%. Полученную ленту припоя укладывают на соединяемые поверхности, которые собираются с зазоро.м или без зазора и производят пайку. В качестве припоя используют сплавы 70 % РЬ-30 % Sn и др. Сетку, волокна можно также размещать в зазор о > 1 мм с последующей операцией частичного спекания или без нее. Припой (.матрица) укладывается около зазора и в процессе пайки пропитывает пористый материал. Аналогично производят пайку с использованием смеси порошков. Применение смесей порошков позволяет паять материалы с большими зазорами и, что особенно важно, соединять разнородные .материалы с резко различающимися значениями ТКЛР, снижать напряжения в шве при пайке инструмента, регулировать степень растекания припоя, паять пористые материалы с компакт- ными, а также тонкостенные ко -. сгрукции, исключая эрозию паяемых материалов. Формирование соединений в этом случае включает подготовительную стадию - заполнение зазора и основную - формирование шва в процессе смачивания наполнителя и паяе.мых поверхностей, пропитки и жидкофазного спекания с последующей кристаллизацией (в отдельных случаях - изотермической). В качестве наполнителя применяют порошки Си, Fe, Ni, Со, А1.,0з, TiC и т. д. Матрицей обычно служат припои стандартных составов, например системы РЬ-Sn, Си-Ni-Мп, Ni- Сг-Si и др. [3]. Список литературы 1. Вершок Б. А., Новосадов В. С. Расчет нестационарной кинетики и процесса контактного плавления. - Физика и .химия обработки материалов, 1974. До 2. с. G1 -65. 2. Калинин fi\. М., Новосадов В. С, Гржимальский Л. Л. Пайка вольфрамового сплава В11Л1-3-2. - В кн : Пайка и ее роль в повышении качества продукции и эффективности производства. М.: НТО Машпром, 1976. 312 с. 3. Новосадов В. С, Масленникова Л. П., Юдин в. в. Опыт применения композиционных материалов радиоэлектронике. Л.: ЛДНТП, 1976. 24 с. 4. Новосадов В. С, Шоршоров М. X, Особенности формирования н .механические свойства разнородных соединений сплавов циркония, титана и ниобия при аргонодуговой сварке. - Физика и химия обработки материалов. 1968, Xi 2, с. 92-100. 5. Савицкая Л. К. Расчет скорости контактного плавления эвтектических систем. - Известия вузов. Физика, 1962, Л- 6, с. 11 - 13. 6. Способы пайки. - В кн.: Справочник по пайке, Под ред. С. Н. Лоцманова, И. Е. Петрунина, В. Н. Фролова. M.j Машиностроение, 1975. 306 с. /. Черницын А. И., Куфайкин А. Я., Расторгуев Л. Н. Структура и фазовый состав переходной зоны, образующейся при диффузионной пайке титана. - В кн.: Технология и оборудование высокотемпературной пайки. М.: .МДНТП, 1973. 316 с. 8. Dwall D. S., Owczarki W. А., Pau-loiiis D. F. TLP Boucling a new Method for Joining Heat Resistant alloys. - Welding Journal, 1974, V. 53, N 4, p. 203-214,   ГЛАВА 3 ПРИПОИ и ПАЯЛЬНЫЕ СМЕСИ Качестпо паяного соединения наряду с другими факторами зависит от используемого припоя, к которому предъявляют следующие требования: температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления соединяемых материалов; припой должен обладать хорошей жидкотекучестью, смачивать поверхности соединясхмых материалов, растекаться по ним, проникать в узкие зазоры; за счет растворно-диффузионных процессов припой должен образовыгать с соединяемыми материалами сплав, обеспечивающий прочную связь в зоне СП,-ев; коррозионная стойкость припоя, паяных швов и паяемого материала должна быть при.мерно одинакова во избежание образования микрогальванических пар (электрокоррозии); ТКЛР припоя и соединяемых материалов должны быть максимально близки по избежание образования остаточных напряжений и трещин в паяном соединении; припой не должен в значительной степени снижать прочность (статическую и вибрационную) и пластичность соединяемых материалов, а также способствовать их хрупкому разрушению. Помимо общих требований к припоям в зависимости от их использования может предъявлять я ряд специфических требований, например, по электропроводности, теплопроводности, коррозионной стойкости в специальных средах, деформации в горячем и холодном состояниях и др. Припои классифицируют по следующим признакам: по химическому составу - медные, серебряные, змотые, палладиевые, платиновые, никелевые, железные, марганцевые, магниевые, оловянно-свинцовые, индиевые, цинковые, кад- миевые, висмутовые, галлиевые, титановые и др.; по технологическим свойствам - самофлюсующие, которые и.меют лучшие технологические свойства за счет частичного удаления припоем окислов с паяемой поверхности, и композиционные - состоящие из смеси тугоплавких и легкоплавких порошков, позволяющих производить пайку узлов с большими зазорами; по содержанию активизирующих компонентов (титана, циркония и др.), повышающих смачиваемость припоем окисленных поверхностей паяемых материалов; по температуре плавления - к низкотемпературным припоям относят припой с Гпл 450 к высокотемпературным - с Тпл>450°С. Низкотемпературные припои выплавляют на основе олова, висмута, кадмия, свинца, цинка, щгия. Высокотемпературные припои в основе имеют медь, серебро, никель, кобальт, железо, алюминий и др.; по сортамент}/ - пластичные припои изготовляют в виде полос, фольги, проволоки; хрупкие - в виде литых прутков, отливок, порошка, паст. Применяют также припои в виде стружки, сетки, колец, брикетов. Для удобства использования оловяшю-свинцовых припоев и повышения производительности труда последние иногда изготовляют в виде трубок заполненных флюсом, или пастой. Высокотемпературные хрупкие припои изготовляют в виде порошка, паст и эластичных лент на органической связке. Медные припои Медь (марок МО, Ml, М2) и сплавы на ее основе широко применяют для пайки углеродистых и многих легированных сталей, никеля и его сплавов. Основой медных припоев обычно являются следующие системы: Си- Р; Си-Zn; Си-N4 и Си-Мп-Ni. .Медь. Из всех припоев с низкой упругостью паров для пайки в вакууме наиболее широко применяют медь. Недостатком меди как припоя является возникновение в соединениях, выполненных кислородсодержащей медью (марки Ml, А\2 и др.), газовых пор и кристаллизационных трещин при пайке в окислительной среде (вследствие образования эвтектики Cu-CuoO). Обладая хорошей жидкотекучестью и растекаемостью, медь легко затекает в капиллярные зазоры. Эту ее особенность используют тогда, когда необходимо получить соединения с протяженностью более 15-20 мм. При пайке стальных изделий в вакууме или защитных средах, где требуется большая протяженность швов, медь на паяемую поверхность наносят электролитически слоем 5-15 мкм. Химический состав меди различных марок приведен в табл. 1. Медно-цинковые припои представляют собой двойные сплавы меди и цинка в различных соотношениях. 70 20 30 ifO 50 60 70 so 90  20 W 60 ВО Zn Macco6i./e дола Zn, у Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов системы медь - цинк (Аг - относительная атомная масса) Диагра.мма состояния сплавов системы Си-Zn приведена на рис. 1. Наибольший интерес представляют сплавы, содержащие менее 39 % Zn и имеющие однофазную структуру (а-твердый раствор). С увеличением содержания цинка в припое его пластичность значительно снижается. Недостатком медно-цин-ковых припоев является сильное испа- 1. Химический состав меди (по ГОСТ 859-78)
* ),002 % P 0.003 % Ag. .003 % Ag. 1 2 3 4 5 6 7 8 [9] 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||