книги / Справочник по пайке

(ЭМ5, УЭМВ-100А, УЭМВ-100К и др.), кото­ рые позволяют исследовать микроструктуру на пленках. Такие пленки можно получать, изго­ тавливая тонкие срезы массивных образцов с их последующим электрополированием или химическим травлением (метод фолы), образо­ ванием окисных пленок либо снятием реплик. Для исследования паяных соединений целесо­ образно использовать реплики. Последние по­ лучают нанесением на исследуемую поверх­ ность тончайших слоев различных веществ (коллодий, углерод и др.), воспроизводящих после снятия рельеф поверхности шлифа. Раз­ решающая способность передачи рельефа оп­ ределяется используемым для снятия реплик веществом: лаковые пленки дают возможность

а платино-углеродные до 1 2 нм.

Метод исследований с помощью ионного микроскопа обеспечивает более высокую раз­ решающую способность (< 1 нм), что дает воз­ можность наблюдать отдельные атомы матри­ цы и примесей, вакансии в решетке и меж­ узельные атомы, атомную структуру границ зерен, структуру ядра дислокации, эффект ле­ гирования (упорядочение, разупорядочение твердых растворов).

Высокотемпературная металлография по­ зволяет исследовать микроструктуру металлов и сплавов в интервале от 20 °С до температу­ ры, близкой к их расплавлению. Основное тре­ бование при всех методах высокотемператур­ ной вакуумной металлографии - создание ос­ таточного давления. Если нагрев производить в контролируемой атмосфере, содержащей ней­ тральные или активные среды, то на поверхно­ сти образцов возникают пленки различного состава. Это дает возможность выявлять строе­ ние металла и сплава, изучать коррозионные свойства составляющих, фиксировать кинетику процесса окисления и т.д.

Высокотемпературная микроскопия по­ зволяет изучать кинетику процессов, происхо­ дящих при пайке: смачивание, растекание при­ поев, диффузионные процессы, возникновение или рост фаз при контактном плавлении, ре­ кристаллизацию. С использованием высоко­ температурной микроскопии можно наблюдать за изменением механических свойств (твердо­ сти, пластичности) в зависимости от степени нагрева. Этот вид исследований осуществляет­ ся на специальных микроскопах, оснащенных индентором и приспособлением для деформи­ рования образца.

Наряду с металлографическими методами исследования паяных соединений широко рас­ пространен микрорентгеноспектральный ана­ лиз паяных соединений.

Рентгеноструктурный анализ дает воз­ можность определить тип структуры и пара­ метры решетки, размеры кристаллов, их ориен­ тировку, наличие микродефектов и неметалли­ ческих включений, которые нельзя обнаружить обычными методами рентгеновской дефекто­ скопии. Для локального рентгеноструктурного анализа применяют установки с острофокусной рентгеновской трубкой. Разрешающая способ­

зволяет изучать химическую микронеоднород­ ность материалов. Он определяет ориентиров­ ку монокристаллов и параметры решетки с точностью до 0,0002 нм. Чувствительность метода до 10'11 г.

Выпускаемые серийно приборы МАР-1 и MAP-2, MS-46 (Франция), JXA-3 (Япония) и другие имеют минимальный размер зонда око­ ло 0,1 мкм. Электронно-оптические схемы всех приборов схожи. С помощью рентгеноспек­ трального анализа можно анализировать хими­ ческие элементы, начиная с магния, а на неко­ торых установках - с бериллия. Разрешающая способность метода: при количественном ана­ лизе - 2 мкм, при качественном - десятые доли нанометра.

Микроанализаторы, работающие в режи­ ме сканирования (обегания заданной площади), могут быть использованы для подсчета числа неметаллических включений, определения их размера и идентификации.

Концентрацию элемента А в сплаве опре­ деляют отношением интенсивностей излучения

от образца J*6 и эталона J*T из чистого эле­

Погрешность метода может составлять от 3 5 % (при определении марганца в железе) до 50 100 % (при определении алюминия в железе). Для получения более точных резуль­ татов следует учитывать влияние поглощения излучения в материале образца, зависимость поперечного сечения ионизации от энергии электрона, ионизации флуоресценции.

В общем виде концентрация элемента в исследуемом образце определяется по сле­ дующей формуле:

где а, - поправка на атомный номер; F (х) -

поправка на поглощение; G(CT) - поправка на флуоресценцию.

Для получения более точных данных о содержании элемента в сплаве в качестве эта­ лонов следует применять сплавы, близкие по химическому составу к исследуемым. Для ис­ ключения ошибок эксперимента подготовку поверхности эталона и исследуемого образца следует вести одинаково, обеспечивая высокое качество поверхности шлифов. Наличие неров­ ностей шлифа или активного травления может привести к неверным результатам: микро­ структура поверхности образца, выявленная тепловым травлением, будет отличаться от состава подложки, что повлияет на результаты анализа. При резком перепаде концентрации элементов надо учитывать влияние вторичной флуоресценции на результаты анализа.

В паяных соединениях микрорентгеноспектральным анализом можно определить химический состав отдельных фаз и характер распределения элементов в зонах паяных швов. Распределение элементов оценивают по интен­ сивности их излучения. При неравномерном распределении элемента в исследуемой зоне можно определить его среднее содержание с (массовые доли, %):

где Уэ и Уф - интенсивности излучения соответ­ ственно элемента от эталона и фона, снимае­ мые с ленты потенциометра, см; S и / - соот­ ветственно площадь под кривой изменения интенсивности и длина ее проекции на гори­ зонтальную ось.

Количество элемента, приходящееся на единицу площади поперечного сечения анализи­ руемого участка, определяют из соотношения

у„ - соответственно скорость движения образца относительно электронного луча (мкм/с) и ско­ рость движения ленты потенциометра (мм/с).

Следует отметить, что применительно к исследованию структуры и свойств паяных

соединений рентгеноструктурный анализ не отличается высокой чувствительностью и точ­ ностью.

Метод микротвердости позволяет иден­ тифицировать отдельные фазы и структурные составляющие сплавов. В практике проведения подобного рода исследований получили рас­ пространение приборы ПМТ-2 и ПМТ-3. Типы, классы и основные параметры приборов для измерения микротвердости определяются стан­ дартами. Применительно к паяным соединени­ ям этот метод исследований имеет исключи­ тельное значение. Он дает возможность оце-' нить свойства тонких прослоек и мельчайших образований, часто определяющих механиче­ ские характеристики соединений.

В практике исследований микротвердо­ сти применяют прибор ПМТ-3 как наиболее совершенный (рис. 7). Микротвердость опре­ деляют путем вдавливания индентора под на­ грузкой 0,02 2 Н. В качестве индентора ис­ пользуют алмазную пирамиду с квадратным основанием и углом при вершине между про­ тиволежащими гранями 136° Измерения оку­ лярным микрометром на приборе ПМТ-3 мож­ но вести с точностью до 0,15 мкм.

Имеются варианты приборов ПМТ-2 и ПМТ-3, позволяющие сверлением брать пробы металлов для микрохимического анализа с микроскопических участков поверхности ме­ таллографических шлифов. В микрообъемах изучают свойства отдельных структурных со­ ставляющих или сложных соединений. При этом можно определить влияние отдельных составляющих сплава при нагреве, отжиге, деформации или других изменениях состояния структуры сплава. Высокая локальность метода позволяет оценить свойства тончайших про­ слоек или мельчайших выделений, часто опре­ деляющих механические свойства соединений.

На базе прибора ПМТ-3 сконструированы приборы, на которых одновременно можно деформировать металлические образцы и заме­ рять деформирующие силы. Для исследования микротвердости при повышенных температу­ рах анализируемые образцы нагревают. Ал­ мазная пирамида, если она зачеканена в сталь­ ной оправке, а не залита легкоплавким сплавом, допускает нагрев до 750 °С. Прибор ПМТ-3 мо­ жет быть применен для определения микро­ твердости при минусовых температурах (до -55 °С). В качестве охлаждающей среды ис­ пользуют охлаждающую жидкость в сочетании с жидким азотом. Этот же метод дает возмож­

7.Микротвердость некоторых фаз и структурных составляющих

значение термоЭДС определяется свойствами материала, с которым соприкасается игла. Этот метод исследований используют в сочетании с микроструктурным анализом. Аналогично ме­ тоду измерения микротвердости он дает воз­ можность производить измерение в любом месте микрошлифа. Результаты измерений показывают сравнительные значения термо­ ЭДС отдельных составляющих структуры или ликвационной неоднородности. Возможны и абсолютные измерения, для которых необхо­ дим подбор определенных пар материалов игла - образец и соответствующее их тарирование.

8. Микротвердость мартенсита

Коррозионные исследования паяных соединений имеют большое значение, по-- скольку стойкость паяного изделия к воздейст­ вию коррозии так же важна, как и его механи­ ческая прочность. Основной причиной корро­ зионного разрушения паяных соединений яв­ ляется различие электродных потенциалов паяемого металла и металла шва. Стандартные электродные потенциалы металлов приведены

втабл. 9.

Вцелях уменьшения различия в элек­ тродных потенциалах паяемого металла и при­ поя в качестве основы припоев предпочтитель­ но выбирают паяемые металлы. Особенно важ­ но это соблюдать при разработке припоев для пайки металлов и сплавов с низким электрод­ ным потенциалом - алюминия и магния.

Непосредственной причиной коррозии паяных соединений является наличие коррози­ онной среды в зоне шва. Существуют две раз­ новидности коррозионного разрушения паяных соединений, если не учитывать влияния остат­ ков флюсов:

- потенциал паяемого металла более электроположительный, чем потенциал шва, поэтому корродирует шов. Поскольку объем металла в шве незначителен, то происходит довольно быстрое разрушение паяного соеди­ нения;

- потенциал паяемого металла более элек­ троотрицателен в сравнении с металлом шва. В этом случае корродирует основной металл.

Первый тип взаимодействия припоя с

основным металлом характерен для паяных соединений многих конструкционных мате­ риалов. Оценку коррозионной стойкости

Me -► Мея+ + при 25 °С

Электрод

Ni/Ni2+

Mo/Mo3+

Sn/Sn2+

Pb/Pb2*

Fe/Fe3+

H2/H‘

Sn/Sn4+

Bi/Bi3+

Sb/Sb3+

As/As3+

Cu/Cu+

Co/Co3+

Cu/Cu2+

Rh/Rh2+

Т1АГ13*

Pb/Pb4+

Hg/Hg2+

Ag/Ag2*

Rh/Rh3+

Hg/Hg2+

Pd/Pd2+

Jr/Jr3*

Pt/Pt2*

Au/Au3+

Au/Au+

Потенциал, В

-0,250 -0,20 -0,136 -0,126 -0,036 0,000 +0,007 +0,226 +0,24 +0,3 +0,337 +0,418 +0,521 +0,60 +0,723 +0,784 +0,789 +0,779 +0,80 +0,854 +0,987 +1,000 +1,19 +1,50 +1,68

соединений при таком характере взаимодейст­ вия припоя и основного металла производят при испытании паяных соединений в различ­ ных коррозионно-активных средах.

При разработке припоев обычно исполь­ зуют ускоренные методы испытаний во влаж­ ной камере (при одновременном взаимодейст­ вии влаги и нагрева), с частичным или полным погружением паяных образцов в различные жидкие среды. Этот вид испытания может про­ изводиться при перемещении жидкости или при попеременном погружении в жидкость и извлечении из нее образца в различных корро- зионно-активных средах. Для этой цели чаще использукл* 3 %-ный раствор хлористого на­ трия в воде («морская вода»); используют так­ же различные активные среды, соответствую­ щие конкретной среде, в которой эксплуатиру­ ется паяное изделие. В необходимых случаях41

проводят длительные коррозионные испыта­ ния. Критерием оценки коррозионной стойко­ сти соединений является снижение прочности соединений в процессе испытаний. Наиболее желательная структура соединения - гомогенная, подвергающаяся равномерному разрушению.

Ускорение процесса коррозии наблюда­ ется в том случае, когда разрушаются тончай­ шие интерметаллические прослойки, выделив­ шиеся в зоне спаев.

В т о р о й т ип вза и м о д ей ст ви я п р и п о я при­

сущ главным образом паяным соединениям магниевых сплавов. Испытания паяных соеди­ нений магниевых сплавов в различных корро­ зионно-активных средах с использованием припоев на основе магния показали, что шов не подвергается разрушению. Это наблюдается при испытании во всех применяемых средах, включая 3 %-ный раствор хлористого натрия.

Рис. 10. Схема установки для ускоренных коррозионных испытаний электрохимическим методом:

1- исследуемые образцы (А — анод, К - катод); 2 - гальванометр; 3 - ключ; 4 - источник постоянного тока; 5 - микроамперметр постоянного тока, 6— постоянное сопротивление;

7 - переменное сопротивление

Для количественной оценки коррозион­ ной стойкости паяных соединений можно ис­ пользовать электрохимический метод ускорен­ ных коррозионных испытаний, схема установ­ ки которого приведена на рис. 10. Этим мето­ дом определяют значения микротоков, возни­ кающих в паре припой - паяемый металл. Кри­ вые, характеризующие значения коррозионных токов, приведены на рис. 11. Метод позволяет дать сравнительную оценку скорости коррозии и ориентировочно рассчитать интенсивность коррозионного процесса за длительный период времени. Предпочтение оказывается припою, который в паре с паяемым металлом дает ми­ нимальную силу тока.

Для обеспечения коррозионной стойкости паяных соединений прежде всего необходимо при пайке использовать такие припои, которые создавали бы гальваническую пару с паяемым металлом при минимальной разности потен­ циалов. Защитные покрытия должны предот­ вращать возможность контактирования корро­ зионно-активных сред с паяным соединением. Это особенно важно для материалов с низким электродным потенциалом (алюминия, магния и сплавов на их основе).

Для устранения различия в потенциалах контактирующих материалов часто используют технологические приемы. Например, для со­ единения ответственных изделий используют

Рис. 11. Кривые относительного значения

коррозионных токов в контакте:

1 - цинк - припой ПОСК 51; 2 - сплав А (алюминий с 5 % цинка) - припой ПОСК 51; 3 - сплав П-300 -

припой ПОСК 51

изотермическую выдержку изделий в процессе пайки. Помимо увеличения прочности соеди­ нений, это способствует выравниванию потен­ циалов контактирующих материалов в зоне паяного соединения. При пайке алюминиевых сплавов низкотемпературными припоями на паяемый материал наносят барьерные покры­ тия, имеющие значительно меньшую разность потенциалов с материалом припоя.

К числу мер, снижающих коррозионное разрушение паяных соединений, можно отне­ сти замену флюсовой пайки пайкой в контро­ лируемых средах. При использовании флюсов следует применять композиции, имеющие ми­ нимальную коррозионную активность. Среди способов, уменьшающих активное воздействие остатков флюсов, известно также использова­ ние ингибиторов коррозии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Петрунин И. Е., Лоцманов С. Н., Ни­ колаев Г. А. Пайка металлов. М.: Металлур­ гия, 1973. 279 с.

2.Долгов Ю. С., Сидохин Ю. Ф. Вопро­ сы формирования паяного шва. М.: Машино­ строение, 1973. 132 с.

3.Петрунин И. Е., Маркова И. Ю., Екатова А. С. Металловедение пайки. М.: Металлургия, 1976.

4.Петрунин И. Е. Физико-химические процессы при пайке. М.: Высшая школа, 1972.

Контроль качества продукции является важнейшей операцией и должен проводиться со стадии проектирования изделия. С целью унификации паяных сборочных единиц, уста­ новления норм и требований к паяным издели­ ям разработан стандарт ГОСТ 19249-73 «Со­ единения паяные. Основные типы и парамет­ ры». Стандарт определяет конструктивные параметры паяного соединения, его условные обозначения, содержит классификацию основ­ ных типов соединений. В приложении к стан­ дарту даны величины сборочных зазоров. Стандарт является основанием для унификации конструкторской и технологической докумен­ тации еще на стадии создания паяного изделия. С этой стадии начинается и контроль качества пайки. В производстве высокий уровень каче­ ства продукции должен обеспечиваться начи­ ная от заготовки и кончая контролем готовых изделий. При этом переход к массовому произ­ водству продукции не должен вести к сниже­ нию качества. Еще на стадии разработки изде­ лия ОТК должен принимать участие в создании изделия. Технологическая документация на пайку, согласованная с заказчиком, должна отражать критерии неразрушающих и разру­ шающих методов контроля.

ДЕФЕКТЫ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Качество паяных изделий определяется их прочностью, степенью работоспособности, надежностью, коррозионной стойкостью, спо­ собностью выполнять специальные функции (теплопроводность, электропроводность, ком­ мутационные характеристики и т.п.). Обеспе­ чение этих характеристик достигается опти­ мальными решениями в процессе производства паяного изделия.

Дефекты, возникающие при изготовлении паяных изделий, можно разделить на дефекты заготовки и сборки, дефекты паяных соедине­ ний и паяных изделий.

К наиболее типичным дефектам паяных соединений относятся поры, раковины, шлако­ вые и флюсовые включения, непропаи, трещи­ ны. Эти дефекты классифицируют на две груп­ пы: связанные с заполнением расплавом при­ поя зазора между соединенными пайкой дета­ лями и возникающие в процессе охлаждения изделия с температуры пайки. Дефекты первой

группы связаны главным образом с особенно­ стями заполнения капиллярных зазоров в про­ цессе пайки. Дефекты второй группы обуслов­ лены уменьшением растворимости газов в ме­ таллах при переходе их из жидкого состояния в твердое и усадочными явлениями. К ним также относится пористость кристаллизационного и диффузионного происхождения. Кроме пор к дефектам сплошности относятся трещины, которые могут возникать в металле шва, в зоне спаев или в паяемом металле. Большую группу дефектов составляют шлаковые и флюсовые включения.

Причиной образования непропаев, кото­ рые берут начало у границы раздела с паяемым металлом, может явиться неправильное конст­ руирование паяного соединения (наличие «глухих», не имеющих выхода полостей), бло­ кирование жидким припоем газа при наличии неравномерного нагрева или неравномерного зазора, местное отсутствие смачивания жидким припоем поверхности паяемого металла. При­ чиной появления блокированных остатков газа

вшвах может быть неравномерность движения фронта жидкости при затекании припоя в за­ зор. Фронт дробится на участки ускоренного и замедленного продвижения, в результате чего могут отсекаться малые объемы газа. Таким же образом может происходить захват флюса и шлаков в шве.

Впроцессе охлаждения соединения из-за уменьшения растворимости газов происходит их выделение и образование рассеянной газо­ вой пористости. Опыт высокотемпературной пайки алюминиевых сплавов с предваритель­ ной дегазацией припоев и флюсов показывает, что пористость металла шва при этом резко уменьшается.

Другой весьма распространенной причи­ ной образования рассеянной пористости явля­ ется возникновение так называемой усадочной пористости. Это явление характерно для случая затвердевания сплава с широким интервалом кристаллизации. При малых зазорах усадочные междендритные пустоты, как правило, тянутся

ввиде цепочки в центральной части шва. При больших зазорах усадочные поры располага­ ются в шве более равномерно в междендрит­ ных пространствах.

Причиной образования пор в паяных швах может быть эффект сфероидизации.

В этом случае пористость в зоне шва возникает в результате некомпенсированной диффузии атомов припоя и паяемого металла. Такого рода пористость возникает в системах припой - паяе­ мый металл, у которых имеется заметное раз­ личие в коэффициентах диффузии.

Трещины в паяных швах могут возникать под действием напряжений и деформаций ме­ талла изделия в процессе охлаждения. Принято различать холодные и горячие трещины. Хо­ лодные трещины образуются при температурах до 200 °С. Горячими называются трещины, образующиеся при температуре выше 200 °С. Эти трещины обычно имеют кристаллизацион­ ное или полигонизационное происхождение. Если в процессе кристаллизации скорость ох­ лаждения высока и возникающие напряжения велики, а деформационная способность метал­ ла шва мала, то появляются кристаллизацион­ ные трещины. Полигонизационные трещины возникают уже при температурах ниже темпе­ ратуры солидуса после затвердевания сплава по так называемым полигонизационным гра­ ницам, образующимся при выстраивании дис­ локации в металле в ряды и образовании сетки дислокаций под действием внутренних напря­ жений.

Холодные трещины возникают чаще все­ го в зоне спаев, особенно в случае образования прослойки хрупких интерметаллидов.

Трещины в паяемом металле могут поя­ виться и в результате воздействия жидких при­ поев, вызывающих адсорбционное понижение прочности.

Неметаллические включения типа флю­ совых или шлаковых возникают при недоста­ точно тщательной подготовке поверхности изделия к пайке или при нарушении ее режима. При слишком длительном нагреве под пайку флюс реагирует с паяемым металлом с образо­ ванием твердых остатков, которые плохо вы­ тесняются из зазора припоем. Шлаковые вклю­ чения могут образоваться также из-за взаимо­ действия припоев и флюсов с кислородом воз­ духа или пламенем горелки.

Правильное конструирование паяного со­ единения (отсутствие замкнутых полостей, равномерность зазора), точность сборки под пайку, дозированное количество припоя и флюсующих сред, равномерность нагрева - условия бездефектности паяного соединения.

Наиболее часто встречающиеся дефекты паяных соединений, причины их возникновения и меры предотвращения приведены в табл. 1.

Методы контроля паяных изделий, бра­ ковочные признаки и нормы определяются назначением изделия и обусловлены техниче­ скими требованиями на их производство.

СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПАЯНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Для оценки качества паяных изделий применяется контроль без разрушения и с раз­ рушением.

Применение разрушающих методов кон­ троля паяного изделия оговаривается техниче­ скими условиями на изделие.

Технический осмотр изделия невоору­ женным глазом или с применением лупы в сочетании с измерениями позволяет проверить качество поверхности, заполнение зазоров припоем, полноту галтелей, наличие трещин и других наружных дефектов. В соответствии с' требованиями технических условий паяные изделия подвергают другим методам неразру­ шающего контроля.

Радиационный контроль. Область при­ менения методов радиационной дефектоскопии определяется ГОСТ 20426-75.

Р а д и о гр а ф и чески й ко н т р о ль применяют

для определения внутренних дефектов в ответ­ ственных паяных изделиях, трещин в шве или паяемом металле, локального отсутствия при­ поя, пор и инородных включений. Целесооб­ разные области применения радиографическо­ го метода неразрушающего контроля приведе­ ны в табл. 2 -4 .

Схемы просвечивания паяных соедине­ ний приведены на рис. 1.

Для радиографического метода контроля характерен разрыв во времени между просве­ чиванием объекта и анализом изображения по рентгеновской пленке, что является недостат­ ком метода.

Р а д и о ско п и ч ески й м ет о д позволяет на­

блюдать изображение контролируемого участ­ ка одновременно с просвечиванием. Целесооб­ разная область применения радиоскопического метода приведена в табл. 5. Применяют радиоскопические установки ПТУ-38, ПТУ-39, МТР-1, МТР-2, РИ-ЮТидр.

Р а д иом ет ри ч еский м ет о д позволяет произ­

водить автоматическую обработку результатов контроля. Рациональная область применения радиометрического метода приведена в табл. 6.