книги / Справочник по пайке

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

На процессы формирования паяного со­ единения оказывают влияние различные фак­ торы, вызывающие изменение его структуры и свойств. Основными из них являются:

-природа взаимодействующих материалов;

-количество жидкой фазы;

-флюсующая среда;

-способ нагрева;

-режим пайки;

-давление;

-воздействие электрических и магнит­ ных полей и др.

Классификация факторов, влияющих на структуру и свойства паяных соединений, при­ ведена на рис. 1. Наибольшее влияние на проч­ ность паяных соединений оказывают свойства паяемого материала и припоя. При прочих рав­ ных условиях более прочный исходный мате­ риал может обеспечить более высокие свойства соединения.

При пайке наблюдается понижение проч­ ности паяемого материала под действием рас­ плавленных флюсов, припоев, условий и ха­ рактера нагрева. Оценку влияния расплава

припоя на паяемый материал по ГОСТ 20487 (в ред. 1981 г.) производят на основе показателя влияния припоя на пластические свойства мате­ риала (/цз, %), являющегося частным от деления относительного удлинения образца, разрушен­ ного в контакте с жидким припоем, на относи­ тельное удлинение образца, разрушенного при отсутствии контакта с припоем. Форма и раз­ меры образца приведены на рис. 2.

Влияние расплава припоя на прочность металла паяемого изделия связано с зарожде­ нием и развитием микротрещин, вызываемых появлением растягивающих внутренних на­ пряжений при резкой потере деформационной способности основным металлом под влиянием нагрева и расплава припоя. При этом микро­ трещины зарождаются и развиваются одновре­ менно как с поверхности, так и в объеме паяе­ мого металла. Уровень возникающих напряже­ ний как на поверхности, так и в объеме металла локально может превышать предел прочности. В итоге пластичность твердого металла, смо­ ченного расплавом припоя, может падать до нуля. Рост трещин происходит в этих условиях в две стадии: первая - дискретная, вторая - мгновенное разрушение образца.

Влияние расплава на прочность паяемого материала оценивают по изменению временно­

нения 5Г материала в контакте с припоем и

без припоя (Gg и 8Г вычисляют как среднее

арифметическое из пяти значений).

Показатель влияния расплава припоя на временное сопротивление и относительное удлинение:

8Г~8£

8( ’

где индекс «единица» означает испытания без припоя, индекс «два» - с припоем.

Метод испытаний при повышенных тем­ пературах регламентирует ГОСТ 9651-84. Ис­ пытания считаются недействительными при разрушении образцов вне места контакта с расплавом.

Свойства паяных соединений в опреде­ ляющей степени зависят от количества жид­ кой фазы в зазоре между соединяемыми по­ верхностями деталей. При капиллярной пайке применяют зазоры от сотых до десятых долей миллиметра в зависимости от свойств припоя, паяемого металла, конструктивных факторов изделия, технологии пайки. Например, при пайке железа и углеродистой стали медью в газо­ вой атмосфере рекомендуются зазоры порядка 0,1 мм, так как в этом случае стойкость окисной пленки на паяемом металле и припое невелика, жидкотекучесть меди высокая и практически не меняется в процессе пайки.

При пайке алюминия и его сплавов при­ поями на основе алюминия зазор должен быть не менее 0,2 0,1 мм. Поскольку окисная пленка на паяемом металле химически стойкая, для ее удаления требуется применять активные

Рис. 2. Форма и размеры образца для оценки влияния расплава припоя на паяемый материал

флюсы. При больших зазорах из-за вытеснения более легкоплавкой и менее прочной состав­ ляющей сплава в центральную зону шва про­ исходит охрупчивание соединения, снижается его прочность.

Особую чувствительность к ширине зазо­ ра соединений встык, работающих на отрыв, можно объяснить влиянием дефектов паяных швов. В интервале весьма малых зазоров (по­ рядка 0,05 мм) легко образуются непропаи, газовые поры; при больших зазорах возможно образование усадочных раковин. Указанные дефекты являются концентраторами напряже­ ний, снижают прочность соединений. Механи­ ческие испытания стали 12Х18Н10Т, паянной припоями ПМцЮ и Г40НХ, показали, что наи­ меньшая прочность характерна для соедине­ ний, паянных с зазором 0,15 мм, так как при кристаллизации в таком зазоре от границ раз­ дела растут ячеистые кристаллы. При этом, усадочные и газовые поры концентрируются в центральной части шва.

При двухфазном строении сплава, обра­ зующегося в паяном шве, ширина зазора ока­ зывает влияние на характер распределения фаз в шве. Так, в случае пайки коррозионностойкой стали припоем системы Cu-Ni-Mn-Zn максимальную прочность имели образцы, па­ янные с зазором 0,2 мм, поскольку в этом слу­ чае более легкоплавкая и малопрочная вторая фаза типа Р-латуни располагалась в межденд­ ритных пространствах. При уменьшении зазора она представляет собой сплошную прослойку в центральной части шва. Предел прочности при этом снижался с 520 до 260 МПа. С увеличени­ ем зазора предел прочности также снижался в результате возникновения дефектов типа уса­ дочных раковин.

Оптимальная величина зазора зависит от точности сборки соединения под пайку. Особо важное значение для сохранения в процессе нагрева при пайке оптимального зазора имеет учет ТКЛР соединяемых материалов.

Причиной снижения прочности паяных соединений обычно являются избыточное ко­ личество расплава припоя в зазоре и возникно­ вение хрупких интерметаллидных прослоек.

При больших зазорах ликвация приводит к ослаблению центральной части шва вследствие концентрации в ней более легкоплавкой и ме­ нее прочной составляющей. Для увеличения числа центров кристаллизации и снижения ликвации в шве в состав припоев иногда вво­ дят частицы паяемого металла или иного более

тугоплавкого металла; увеличение числа цен­ тров кристаллизации происходит в случае мо­ дифицирования расплава. Особенности гео­ метрии шва затрудняют равномерное распре­ деление модификатора в расплаве зоны сплав­ ления, что оказывает влияние на структуру шва.

Эффективный способ увеличения чис­ ла центров кристаллизации - применение вибрации в процессе кристаллизации расплава.

Твердые частицы в зоне сплавления под воз­ действием вибрации перемещаются в расплаве, в результате центральная часть шва обогащает­ ся тугоплавким компонентом. Таким образом, вибрация способствует выравниванию химиче­ ского состава шва по сечению. Возникновение и рост интерметаллидных прослоек в шве зави­ сят от длительности взаимодействия твердой и жидкой фаз. Применение вибрации способст­ вует сокращению необходимого времени кон­ тактирования расплава с поверхностью паяе­ мого металла и тем самым измельчению возни­ кающих интерметаллидов. Мелкодисперсные частицы тугоплавкого соединения являются дополнительными центрами кристаллизации, что, в свою очередь, повышает свойства соеди­ нений. Для обеспечения колебаний одинаковой интенсивности во всех зонах шва используют частоты не свыше 300 Гц.

При пайке стали 08Х18Н10Т припоями на никельхромомарганцевой основе применение вибрации (амплитуда колебания якоря элек­ тромагнита 0,02 0,03 мм) способствует повы­ шению прочности соединений на 30 50 %. На рис. 3 представлены зависимости предела прочности паяных соединений от частоты виб­ рации и ширины зазора при пайке стали 08Х18Н10Т припоями Г40НХ (а) и ПЖК-35

(б). Из рис. 3 видно, что приложение вибрации частотой до 150 Гц способствует повышению

Ю

прочности соединения. Дальнейшее увеличе­ ние частоты колебаний практически не влияет на повышение прочности независимо от шири­ ны зазора.

Флюсы, особенно при высокотемператур­ ной пайке, снижают поверхностное натяжение расплавленного припоя и тем самым облегчают процессы смачивания и капиллярного течения. В то же время остатки флюсов и продукты взаимодействия их с окисными пленками обра­ зуют в шве шлаковые включения, приводящие к потере прочности, коррозионной стойкости соединения, нарушению плотности металла шва. При пайке в газовых средах, содержащих СО, Н2, N2, в случае длительных выдержек возможно их нежелательное воздействие на паяемый металл с образованием на его поверх­ ности карбидов, нитридов, гидридов, обезуглероженных зон.

Использование газовых сред обеспечива­ ет возможность получения паяных швов с минимальными зазорами. Одновременно ак­ тивные составляющие газовых сред могут вступать во взаимодействие с припоем, образуя продукты реакции (гидриды, нитриды, карби­ ды, газообразный водород). При пайке в ва­ кууме наблюдается дегазация металла шва и, как следствие, достигается более высокая его плотность. Вместе с тем в вакууме возможно испарение летучих компонентов припоя, таких, как марганец, цинк, кадмий, что может привес­ ти к пористости шва.

Влияние способа нагрева при пайке зави­ сит от природы источника тепла, от парамет­ ров оборудования, флюсующей среды, приме­ няемых средств механизации. При нагреве горелками газовое пламя вступает во взаимо­ действие с паяемым металлом и расплавом припоя; при печном нагреве требуются бо­ лее эффективные флюсующие средства;

6)

индукционный - связан с воздействием пере­ менного магнитного поля, что способствует лучшему формированию шва. От способа на­ грева зависит равномерность распределения тепла по сечению паяемого изделия.

Скорость нагрева под пайку может нахо­ диться в широких пределах и определяется такими факторами, как характер источника нагрева, природа взаимодействующих мате­ риалов, габариты и толщина стенок паяемого изделия и др. От нее зависит равномерность нагрева, возникновение напряжений в зоне соединений, структурные превращения в паяе­ мом металле и др. Поэтому, например, пайка в печах или солевых ваннах обеспечивает более равномерный нагрев, чем пайка горелками или паяльником. Однако печной нагрев или нагрев в солевых ваннах приводит к снижению проч­ ности паяемого металла.

Режим пайки зачастую оказывает ре­ шающее влияние на прочность паяных соеди­ нений. Как известно, в понятие режима пайки входит температура пайки, время выдержки при температуре пайки, давление, скорость охлаждения паяного соединения.

Правильный выбор температурного ин­ тервала пайки обеспечивает хорошее смачива­ ние припоем поверхности, гарантированное заполнение зазоров, необходимое взаимодей­ ствие припоя с паяемым металлом. Совокуп­ ность этих факторов обеспечивает максималь­ ную прочность паяных соединений. На выбор температурного интервала пайки оказывает влияние температура плавления припоя, харак­ тер его взаимодействия с паяемым металлом, способ внесения припоя в зазор, применяемая флюсующая среда и др. Обычно температура пайки выше температуры ликвидуса припоя, в некоторых случаях она может быть равна ей и даже быть ниже ее (интервал твердожидкого состояния). Повышение температуры пайки и времени вы держ ки наряду с ускорением диф­ фузионных процессов и усилением растворе­ ния паяемого металла в расплаве припоя может вызвать разупрочнение паяемого металла, его эрозию, окисление, испарение отдельных ком­ понентов, что непосредственно отражается на структуре и свойствах паяного соединения.

Время выдержки в выбранном интервале температур пайки также определяет структуру и прочность паяных соединений. Так, при ка­ пиллярной пайке время выдержки невелико и составляет от десятков секунд до нескольких минут. Увеличенное время выдержки, напри­

мер при диффузионной пайке, может привести к значительному повышению прочности со­ единения. Однако продолжительная выдержка может заметно ухудшить свойства паяемого металла. Зависимость предела прочности пая­ ного соединения при срезе от выдержки при пайке припоями Fe-Mn, Fe-C-Mn и медью при­ ведена на рис. 4.

Большое влияние на повышение прочно­ сти паяных соединений оказывает давление в процессе пайки. Это особенно важно при пайке припоями, применяемыми в виде готовых форм из порошка, на полимерной связке и пас­ тами, когда давление обеспечивает необходи­ мую плотность металла шва. Существенное влияние на структуру и, как следствие, на прочность паяных соединений оказывает ско­ рость охлаждения; ее увеличение может при­ вести к измельчению структуры, перераспре­ делению составляющих зоны сплавления или к выделению структурных составляющих, опре­ деляющих прочностные характеристики со­ единения. Как правило, измельчение структур­ ных составляющих повышает прочность со­ единения. Влияние скорости охлаждения на прочность соединений при пайке в вакууме меди свинцом, оловом, индием и припоем ПСр 7,5 показано на рис. 5.

Скорость охлаждения после пайки ока­ зывает влияние на формирование первичной структуры шва, распределение компонентов, пористость, внутренние напряжения, возник­ новение горячих и холодных трещин в шве и околошовной зоне. На рис. 6 показано влияние скорости охлаждения на количество эвтектиче­ ской составляющей в шве при контактно-

тср,МПа

Рис. 4. Изменение прочности паяных нахлесточных соединений из СтЗ в зависимости от выдержки при температуре пайки:

1- припой Fe-Mn; 2 - припой Fe-Mn-C; 3- припой Си

тср , МПа

1

1 ''PCnlS

S n /

In

Pb

-----T

0 20 40 60 80 °С/С

Рис. 5. Прочность паяных соединений из меди в зависимости от скорости охлаждения (припои - Pb, In, Sn, ПСр 7,5; температура пайки 850 °С, среда - вакуум)

Рис. 6. Содержание эвтектической составляющей в зависимости от скорости охлаждения при пайке магния серебром

реактивной пайке магния серебром. На основе приведенной зависимости можно назначать скорости охлаждения, при которых содержание хрупкой составляющей в шве минимально, добиться совмещения цикла пайки с термиче­ ской обработкой паяного соединения.

Для повышения механических, коррози­ онных и других харатеристик паяного соеди­ нения довольно часто используют термиче­ скую обработку, которая может быть примене­ на при пайке термообрабатываемых сплавов. Например, при соединении быстрорежущих ин­ струментальных сталей с корпусом инструмента из конструкционных сталей в качестве припоя

Аналогичным образом совмещают пайку с закалкой и отпуском для конструкционных сталей. С целью выравнивания состава и улуч­ шения структуры и механических характери­ стик паяного соединения иногда используют термодиффузионный гомогенизирующий от­

жиг. Например, применяют термодиффузион­ ную обработку паяных соединений титановых рабочих колес центробежных компрессорных машин. Пайку проводят с применением в каче­ стве припоя фольги меди или никеля (контакт­ но-реактивная пайка), что позволяет повысить механические характеристики паяного соеди­ нения.

Таким образом, конструктивные факторы изделия, физико-химические свойства мате­ риалов, условия и режимы пайки оказывают влияние на структуру и свойства паяного со­ единения. Исследования паяных соединений имеют целью прежде всего выявить тенденции этого влияния и определить оптимальные ус­ ловия получения паяного соединения на всех стадиях производства паяного изделия.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Исследование паяных соединений ведет­ ся практически всеми существующими мето­ дами изучения металлов и сплавов. Наиболь­ шее применение при исследовании паяных соединений получил структурный анализ.

Микроструктурный анализ позволяет выявить структуру металла, взаимное распо­ ложение структурных составляющих, распре­ деление интерметаллидных фаз, наличие раз­ ного рода дефектов, неметаллических включе­ ний и др.

Отбор проб паяных соединений для мик­ роисследования с помощью светового микро­ скопа производят с учетом наиболее полной оценки исследуемого свойства в одном образце и удобства проведения металлографических исследований.

Образец для микроисследования паяного соединения берется высотой 10 20 мм и площадью поверхности исследования до 3 см2 Вырезать образцы из паяного соединения до­ пускается только металлорежущим инструмен­ том, не вызывающим деформирования зоны шва и изменения структуры в результате на­ грева. При вырезке образцов из листовых кон­ струкций толщиной менее 1 2 мм их пред­ варительно закрепляют с придающими жест­ кость конструкции подкладками и обрабаты­ вают совместно. Вырезанный из паяного со­ единения образец обычно монтируют в специ­ альные зажимы. При исследовании образцов малых размеров их помещают в формы (коль­ ца) и заливают серой или легкоплавкими спла­ вами. Следует иметь в виду, что такое закреп-

ление микрошлифа нежелательно, поскольку материал заливки искажает результаты иссле­ дования, а также загрязняет полировальные круги. Более целесообразно заливать образцы пластмассой. Существует несколько способов фиксации пластмассой образцов для металло­ графических исследований при 20 °С или по­

При допустимости нагрева исследуемых образцов паяных соединений применяют баке­ лит или термопластические пены. Можно ис­ пользовать жидкие эпоксидные смолы ЭД-5 или ЭД-6 в сочетании с отвердителем (пример­ но 25 %), которые позволяют заливать образец при 20 °С и повышенной температуре. Условия отверждения эпоксидных смол приведены в табл. 1.

Образец, предназначенный для заливки, помещают в форму, например засыпают по­ рошком бакелита, и нагревают под давлением.

При использовании эпоксидных смол их в смеси с отвердителем заливают в форму, где помещен образец. Отверждение происходит без приложения давления.

Для приготовления микрошлифов приме­ няют бумагу на водоупорной основе с указани­ ем номера зернистости, определяемой в мик­ ромиллиметрах. Классификация размеров зе­ рен абразивных материалов в соответствии с ГОСТ 3647-80 применяемых для изготовления микрошлифов приведена в табл. 2.

При приготовлении микрошлифов основ­ ное внимание должно быть обращено на полу­ чение ровной поверхности, без рельефа между паяемым металлом и зоной шва. Для шлифова­ ния образцов применяют шлифовальные круги; обычная обработка на шлифовальных станках для этой цели непригодна, поскольку вызывает изменение в структуре металла на значитель­ ную глубину.

В процессе шлифования образца на шли­ фовальных кругах при переходе от крупнозер­ нистого абразива к мелкозернистому необхо­ димо тщательно мыть образец под струей во­ ды, с тем чтобы исключить возможность пере­ носа частиц более крупного абразива. При ка­ ждом переходе направление шлифования ме­ няется на 90°. Частота вращения горизонталь­ ных кругов при приготовлении микрошлифов паяных соединений сталей и медных сплавов

них и тех же кругах нельзя обрабатывать об­ разцы из различных материалов, так как качество

1. Условия отверждения смол ЭД-5 и ЭД-6

Условия отверждения

Отвердитель

шлифов при этом снижается. Шлифование на данном абразиве считается законченным, когда на обрабатываемой поверхности не остается рисок от предыдущего абразива.

Полирование микрошлифов паяных со­ единений можно производить механическим способом или электрохимическим. Механиче­ ское полирование принципиально не отличает­ ся от шлифования; оно производится на дис­ ках, обтянутых сукном, фетром или бархатом. Абразивный материал при полировании (окись алюминия или хрома) подают в виде водной сус­ пензии (5 15 г абразива на 1 л воды), получен­ ной после отстоя более крупных фракций.

Качественно приготовленный микро­ шлиф паяного соединения должен иметь пло­ скую поверхность без рисок от шлифования, царапин и загрязнений. Нежелательны в поле шлифа «хвосты», появляющиеся в результате выкрашивания при обработке хрупких состав­ ляющих. Наиболее частым дефектом шлифов паяных соединений являются завалы на грани­ це шва и паяемого металла. Поэтому при изго­ товлении шлифов необходимо учитывать раз­ личие состава и свойств паяемого металла и шва. Различие в твердости зон паяного соеди­ нения при обычном механическом полирова­ нии приводит к тому, что в связи с неравно­ мерной обработкой создается рельефность поверхности или дефектность. При резком различии твердости зон паяного соединения

используют алмазное полирование, что обес­ печивает получение достаточно ровной по­ верхности шлифа и повышает производитель­ ность процесса в 2 - 3 раза. В табл. 3 приведена классификация составов паст на алмазной ос­ нове.

Выявить микроструктуру паяного соеди­ нения можно химическим или электролитиче­ ским травлением с использованием фазового контраста, а также методом теплового травле­ ния. Существенным недостатком многих ме­ таллографических методов исследования явля­ ется отсутствие количественной оценки ре­ зультатов, что в некоторой степени восполня­ ется расчетными методами и сочетанием мик­ роанализа с другими методами (физическим, химическим и др.).

Для исследований микроструктуры наи­ более часто используют световые микроскопы МИМ-7 и МИМ-8. Разрешающая способность оптического светового микроскопа с примене­ нием масляного иммерсионного объектива соответствует практически 1 мкм.

Изучение структуры производят на шли­ фах, изготовленных перпендикулярно или под углом к плоскости спая («косой» шлиф). Пер­ вый вид шлифов общепринят как более про­ стой; «косые» шлифы изготовляют под не­ большим углом к плоскости спая, что позволя­ ет расширить исследуемую область, которая при перпендикулярном срезе, ввиду незначи­ тельной протяженности сечения, трудно под­ дается изучению.

Подготовленный микрошлиф вначале изучают в нетравленом состоянии при различ­

ном увеличении. Это дает возможность вы­ явить такие дефекты, как непропаи, раковины, поры, трещины, неметаллические включения. При изучении нетравленого шлифа возможно частичное выявление микроструктуры, осо­ бенно при наличии значительной разности электрохимических потенциалов паяемого металла и припоя.

Неметаллические включения обладают меньшей отражающей способностью, чем ме­ таллы, поэтому в поле зрения микроскопа они выявляются в виде темных пятен. Чтобы отли­ чить их от пор, которые также выявляются в виде темных пятен, слегка изменяют фокусное расстояние, поворачивая микрометрический винт микроскопа. При этом края микропор то сходятся, то расходятся, чего не происходит при рассмотрении неметаллических включений.

Химическое травление позволяет выявить общую структуру шва, производить селектив­ ное определение фаз с учетом колебания их состава, кристаллографической ориентировки, выявлять ликвацию элементов в сплаве, дисло­ кацию структур, проводить цветовое разделе­ ние фаз и др.

Для изучения структуры паяемого метал­ ла, отдельных зон шва или отдельных фаз при­ ходится последовательно применять несколько травителей. В табл. 4 приведены составы реак­ тивов и способы химического травления для выявления микроструктуры паяных соединений.

Для выявления микроструктуры при на-' личии близких электрохимических потенциа­ лов припоя и паяемого металла применяют электролитическое травление. Составы элек­ тролитов и режимы электролитического трав­ ления приведены в табл. 5.

Тепловое травление целесообразно в тех случаях, когда химическое травление дает од­ нотонную структуру шва. Подбирая составы сред, обладающих различной окисляющей спо­ собностью, и температуру травления, можно получить четкую картину структуры паяного соединения. Метод окрашивания поверхности микрошлифа при нагреве в проточном аргоне используют, например, для выявления струк­ туры паяного соединения коррозионно-стойкой стали (08Х18Н10Т, 12Х25Н16Г7АР) с медным сплавом (БрХ1).

Использование электронных микроско­ пов при исследовании паяных соединений по­ зволяет повысить разрешающую способность до 1 нм. В настоящее время применяют элек­ тронные микроскопы просвечивающего типа

8 0 4

СОЕДИНЕНИЙ ПАЯНЫХ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА

+перекись водорода (30 %-ная)

-0,5 мл

СОЕДИНЕНИЙ ПАЯНЫХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДЫ

Преимущественное выявление структурных составляющих

Шва и промежуточных фаз (электрополирование) Шва и промежуточных фаз (электротравление) Диффузионных зон и шва

Шва

Диффузионных зон и шва

Структура шва и паяемого металла (электротравление)

Шва (электротравление)

Шва и паяемого материала (электротравление)

Шва и паяемого металла (электротравление)

То же

Шва

Шва и паяемого металла

410

ПАЯНЫХСОЕДИНЕНИЙ ИСВОЙСТВА СТРУКТУРА