Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Мета роботи: вивчити методики дослідження здатності припою до розчинення основного металу.
4.1. Короткі теоретичні відомості
Плавлення твердих металів у зоні їх контакту при температурі, яка вища температури плавлення евтектики або мінімальної температури плавлення їх твердих розчинів але нижча температури автономного плавлення більш легкоплавкого з них, називають контактним. За пропозицією С.В. Лашко і Н.Ф. Лашко контактне плавлення металів, які утворюють евтектику, називають контактно-реактивним внаслідок особливих властивостей евтектичних сплавів. Явище контактно-реактивного плавлення лежить в основі контактно-реактивного паяння. При цьому тверді метали переходять у рідку фазу, яка відіграє роль припою. Цей процес пов'язаний з дифузійними процесами і може продовжуватись до досягнення такого складу рідини, при якому температура плавлення стане вищою від температури паяння.
Аналогічні процеси можуть відбуватися при паянні готовим припоєм. На границі твердого металу і розплавленого припою внаслідок наявності градієнта хімічного потенціалу (градієнта концентрацій) розвиваються взаємні дифузійні процеси. Коли атоми основного металу переходять в розплав припою, то відбувається розчинення основного металу в припої. Інтенсивність цього процесу залежить від швидкості дифузії атомів у твердому пограничному прошарку та розплаві. Кінетика розчинення основного металу в розплавленому припої залежить від властивостей взаємодіючих металів, кількості рідини, температури, тривалості взаємодії тощо.
Розчинення може відбуватися в статичних умовах взаємодії, коли розплав не переміщується відносно поверхні твердого тіла, або в динамічних умовах взаємодії - розплав рухається відносно поверхні твердого тіла.
Руйнування основного металу внаслідок розчинення його в розплаві припою називається хімічною ерозією. На відміну від корозії в рідких середовищах, що має електромеханічну природу, процес контактно-реактивного плавлення має хімічний механізм і проходить шляхом розчинення основного металу.
При паянні металів розрізняють три види ерозії:
Розчинення основного металу по границі зерен називається міжкристалітною ерозією при паянні.
Розчинення жароміцного нікелевого сплаву ЭИ826 припоєм ВПр11 показано на рис. 6.1 і 6.2.
Припій ВПр11 має хімічний склад, % (мас): 14,0...16,0 Сr; 4,0...5,0 Si; 2,0...3,0 В; 0,5...0,6 С; 3,0...5,0 Fe; Ni - основа, тобто основою припою є система Ni-Cr-Si-B. Нікелевий сплав ЭИ826 є складнолегованим і містить, % (мас): 13... 16 Сr; 5,0...7,0 W; 2,5...4,0 Мо; 1,7...2,2 Ті; 0,2...1,0 V; 2,4...2,9 А1. Усі ці елементи, крім алюмінію, мають високу спорідненість до кремнію, бору та вуглецю, відповідно утворюють бориди, силіциди та карбіди.
Основа сплаву - нікель утворює евтектики з кремнієм та бором.
а
б
Рисунок 4.1. Розчинення жароміцного сплаву ЭИ826 краплею припою ВГТр11 при температурі 1200 °С: а-х15; б-х340 (при друкуванні зменшено х 0,5)
а
б
Рисунок 4.2. Розчинення жароміцного сплаву ЭИ826 краплею припою ВПр11 при температурі 1120 °С: а-х15; б - х340 (при друкуванні зменшено х 0,5)
Температура плавлення евтектики Ni-Ni3Si дорівнює 1152 °С, а евтектики Ni-Ni3B - 1080 °С. Боридна евтектика має високу проникність по границях зерен. На рис. 4.1 спостерігаються всі види ерозії. Мікроструктура має також бориди тугоплавких металів як в зоні розчинення основного металу, так і по границях його зерен.
При температурі 1120 °С хімічні сполуки є більш стабільними і, утворюючи суцільний прошарок в зоні взаємодії припою з основним металом, блокують розчинення основного металу, що чітко видно з рис. 4.2.
Підвищення температури до 1200 °С призводить не лише до розчинення основного металу, але і до глибокого проникнення припою в основний метал, особливо по границях зерен, оскільки хімічні сполуки розчиняються і не блокують цей процес. На рис. 4.3 наведено структуру металу після розчинення при температурі 1200 °С сплаву ЭП99 припоєм ВПр11, який було розплавлено в глухому отворі зразка.
Сильна ерозія матеріалу в рідкому припої призводить до зменшення ефективної товщини основного матеріалу, утворення підрізів в галтельних ділянках паяних швів і, як результат, знижує механічні властивості спаяних з'єднань. Вона може також зовсім зруйнувати тонкостінні елементи виробу.
Під час паяння в результаті інтенсивної ерозії можуть сильно змінюватися інтервал кристалізації паяного шва, здатність рідкого припою до розтікання і заповнення зазорів, форма і розміри окремих елементів запаяного з'єднання, утворюватися дефекти шва (непропаї, пори, тріщини тощо).
Ерозія основного металу в рідкому припої проходить на границі твердої і рідкої фаз і визначається термодинамічними і кінетичними факторами. Перші визначають напрям процесу, другі - швидкість процесу розчинення.
Рисунок 4.3. Ерозія сплаву ЭП99 при взаємодії з припоєм ВПр11 при
температурі 1200 °С:
1 - припій; 2 - прикристалізована зона твердого розчину; 3 - зона виділення фаз на гранищх та в середині зерен; 4 - основний метал; 5 - проникнення боридної евтектики; а - х15 (в темному полі); б, в - х340 (при .друкуванні зменшено х0,5)
Розчиненню основного металу в розплаві припою сприяють:
збільшення тривалості контакту;
підвищення температури;
збільшення граничної концентрації основного металу в припої;
збільшення об'єму розплаву.
Ерозія при паянні зменшується зі збільшенням легування припою елементами основного матеріалу.
4.2. Методи дослідження розчинення металу припоєм
Існують різні методи дослідження ерозії основного металу в розплаві припою. При наявності відносно великого об'єму розплаву ерозію можна досліджувати за втратою маси зразка основного металу, зануреного в припій, віднесеної до одиниці поверхні зразка та одиниці часу взаємодії.
4.2.1. Визначення ерозії при паянні напусткових з'єднань
Для визначення ерозії матеріалів в умовах капілярного паяння внапусток рекомендується використовувати зразок, забражений на рис.4.4.
а б
Рисунок 4.4. Зразок для оцінки ерозії в умовах капілярного паяння: а - заготовки;
б - зразок, підготовлений до паяння; 1,2— нижня і верхня пластини відповідно; 3 - пластинки для фіксації зазору; 4 - припій
Зразок для дослідження складається із двох пластинок одного металу. Менша пластинка розмірами 20х20х(1,5...2,0) мм накладається на більшу 40х40х(1,5...2,0) мм. Зазор між ними встановлюється дротиками або полосками матеріалу, який не розчиняється в припої.
Припій виставляється біля зазору. Дослідження проводяться в умовах загального нагрівання в печі з обов'язковим контролем температури зразка термопарою, гарячий спай якої приварюється до пластинки.
Глибина ерозії оцінюється по макрошліфах на капілярній ділянці шва і на місцях галтелей.
Об'єм припою складає 3/2VK, де VK- об'єм капілярної ділянки шва.
За даними випробувань будують графіки залежностей глибини ерозії на місцях галтелей і на капілярній ділянці шва від тривалості паяння при різних температурах, величини зазору.
4.2.2. Визначення ерозії на зразках з глухим отвором
Використовується також метод оцінки схильності до ерозії за коефіцієнтом ерозії. Для цього використовують зразки з глухим отвором, як показано на рис. 6.5.
Рисунок 4.5. Форма зразка з глухим отвором (а) та переріз А-А після розчинення припоєм основного металу (б): 1 - основний метал; 2 - закристалізований розплав після розчинення припоєм основного металу з діаметром розчинення dP
Внутрішню поверхню осьового отвору знежирюють спиртом або ацетоном, отвір на 2/3 висоти заповнюють припоєм. Зразок з припоєм і флюсом або у вакуумі нагрівають із заданою швидкістю до заданої температури. Температуру вимірюють термопарою, привареною до зразка.
Після паяння зразок розрізають по перерізу А-А і готують макрошліф.
Коефіцієнт ерозії кс визначають за рівнянням
(4.1)
де So і S1 - відповідно початкова площа перерізу отвору перед нагріванням та площа перерізу закристалізованого розплаву після розчинення основного металу.
Виконуючи дослідження при різних температурах та тривалості витримки, можна встановити вплив цих факторів на ерозію основного металу.
Зразки з глухим отвором використовуються для порівняльних випробувань різних припоїв. При цьому розміри зразків можуть бути різними. Наприклад, Лемб і Міллер досліджували розчинення жароміцних нікелевих сплавів на зразках з розмірами D = 12 mm, d= 4 мм, H=30 мм, h = 10 мм. В отворі розміщували припій масою 0,6 г. Після охолодження зразок розрізали, паралельно торцевій поверхні.
Проведенні в ПУК дослідження за описаною методикою показали, що глибина розчинення основного металу по висоті отвору змінюється. Крім того, визначення коефіцієнта ерозії через площі за формулою (4.1) не дозволяє визначити зміну концентрації елементів у розчиненому металі. Тому методику дослідження ерозії на зразках з глухим отвором було удосконалено [2].
Коефіцієнт розчинення визначали за рівнянням
(4.2)
де Vp - об'єм розплаву після розчинення основного металу; Vnp - об'єм розплавленого припою; Vp - Vпр, - об'єм розчиненого металу.
Для дослідження рекомендуються зразки (див. рис. 4.5) з розмірами D = 20мм, d = 6 мм.H= 30 mm, h = 20 мм.
Після охолодження зразки розрізаються по діаметральній площині. Схему вимірювання показано на рис. 4.6.
З рис. 4.6 видно, що об'єм розплаву після розчинення основного металу можна знайти за рівнянням
де Vм - об'єм меніска; hi та di інтервал і діаметр поділення зони розчинення; hk і dk- висота і діаметр виділеного елемента меніска.
Рисунок 4.6. Схема зразка, розрізанного по діаметральній площині, та схема вимірювання
Об'єм розплавленого припою Vпр, масою тпр знаходиться через його
густину ρпр
Після підстановки в рівняння (6.2) відповідних значень отримаємо
Розглянемо розчинення твердого сплаву А в розплаві А-В на діаграмі плавкості, показаній на рис. 4.7.
Рисунок 4.7. Лівий кут діаграми плавкості системи А-В і концентрації елемента В при розчиненні рідиною А-В сплаву на основі металу А з незначною концентрацією елемента В
Припустимо, що в розплаві початкова концентрація елемента В дорівнює С2, а концентрація в сплаві дорівнює С1, тобто в сплаві А є невеликі домішки елемента В. Цифри 1 і 2 означають відповідно тверду і рідку фази. Якщо тверде тіло і рідина взаємодіють при температурі Т1 то відповідно до рівноважної діаграми стану (див. рис. 4.7) на поверхні
розділу фаз повинні встановитися концентрації елемента В у рідині С1 і в твердій фазі С1, . Насправді на початку взаємодії при t = 0 концентрація
елемента В в твердій фазі значно менша і дорівнює С1, а відповідно концентрація елемента А буде значно більшою рівноважної. Внаслідок градієнта концентрацій інтенсивно розвиваються взаємні дифузійні процеси. Оскільки швидкість дифузії в рідині значно вища, ніж швидкість дифузії в твердій фазі, то рідина збагачується основним металом, а міжфазна границя переміщується в тверду фазу. При цьому поступово на
міжфазній границі в твердій фазі повинна встановитися концентрація C1 елемента В, що відповідає рівноважній діаграмі стану.
На рис. 4.7 показано лінію Т0, що знаходиться між лініями солідусу Ts і ліквідусу T1 та відповідає рівності термодинамічних потенціалів рідини і твердої фази. їх термодинамічні потенціали залежать від температури і концентрації елемента В. При температурі, нижчій за То, термодинамічний потенціал твердої фази буде нижчий, ніж рідини. При постійній температурі T1 рівність термодинамічних потенціалів твердої і рідкої фаз досягається при концентрації Ср елемента В. При концентрації елемента В, вищій за Ср (Cі(t)>Cp), термодинамічний
потенціал рідини нижчий, ніж твердої фази, більш стабільною є рідка фаза і навпаки. Зміну термодинамічних потенціалів твердої і рідкої фаз при утворенні рідких і твердих розчинів показано на рис. 4.8.
На рис. 4.8 при температурі Т1 термодинамічний потенціал твердої фази системи А-В показує суцільна лінія l, а рідкої фази - штрихова лінія 2. Ці термодинамічні потенціали поєднані дотичною до них лінією ав. В
інтервалі концентрацій C1-C2 мінімальному значенню сумарного потенціалу (вільної енергії) системи відповідає співіснування рідкої і твердої фаз.
При кристалізації велику роль відіграє поверхня розділу твердої та рідкої фаз, що має мінімальну товщину (декілька атомних прошарків) з високою дефектністю будови. Термодинамічний потенціал цієї поверхні вільна поверхнева енергія Гіббса) вищий, ніж середній потенціал компонентів А-В між точками а і в. Це цілком відноситься також до діаграм стану з евтектикою α+β.
Рисисунок 4.8. Термодинамічні потенціали при температурі Т, твердої (l) і рідкої (2) фаз в системі А-В з безперервним рядом рідких і твердих розчинов
Потенціал поверхні залежить від температури, складу та її будови. Вільна енергія одиниці поверхні представляє собою поверхневий натяг, який, як і дифузійні процеси, є вирішальним в процесах кристалізації, що розвиваються на міжфазній поверхні. Поступове переміщення міжфазної поверхні в рідину призводить до кристалізації розплаву.
Якщо при паянні відбувається ізотермічна кристалізація припою, то розчинення основного металу визначається діаграмою стану розплаву. Розчинення буде протікати доти, поки концентрація елемента В в припої
не зменшиться до рівноважної концентрації Ср з врахуванням концентрації в рідини С2 і в твердої фазі С1.
Для зниження температури плавлення припоїв в них вводять спеціальні елементи, які називають депресантами. Вони утворюють з основою припою евтектики або розчини з наявністю мінімальної температури плавлення. Тому, переходячи до зального випадку розчинення при паянні, позначимо концентрацію депресанта в припої Спр, концентрацію в основному металі - С0, масу припою - тпр, масу розчиненого основного металу том. Тоді умова розчинення визначається рівнянням:
Якщо маси припою і розчиненого основного металу записати через їх об'єми і густину та скористатись рівнянням (4.2), отримаємо коефіцієнт розчинення
(4.3)
При відсутності депресанта в основному металі С0 = 0, а замість Ср в літературі іноді записують Cs - концентрацію солідуса.
Таким чином, рівняння (4.3) дозволяє визначити коефіцієнт розчинення металу при відомій діаграмі стану припійної системи, щільностях основного металу і припою, початкових концентраціях депресанта в основному металі і припої та температурі паяння.
Концентрацію Cs можна визначити методом локального
рентгеноспектрального мікроаналізу прикристалізованого при даній постійній температурі прошарку твердого розчину до основного металу. Тоді коефіцієнт розчинення дорівнює.
(4.3а)
При заданому коефіцієнті розчинення можна визначити концентрацію будь-якого елемента в шві. Якщо відомі маса припою тпр, маса розчиненого основного металу том, початкові концентрації i-го елемента в припої С основному металі С , то за припущенням рівномірного розподілу елемента при ізотермічній кристалізації шва його концентрація С, знаходиться з рівняння масового балансу:
(4.4)
Якщо в рівнянні (6.4) маси замінити через відповідні об'єм і густину (т = V-p), врахувати, що об'єм розчиненого основного металу Vом.= Vp - Vnp, який за рівнянням (6.2) можна замінити на VnpKр, то отримаємо рівняння
(4.5)
Наведені розрахунки можна легко виконати для рівноважних двокомпонентних систем. Для багатокомпонентних систем, зазвичай, необхідні данні відсутні, але аналіз рівняння (4.3) дозволяє встановити основні закономірності процесу розчинення.
Аналіз змін та співвідношення величин Спр , Сs, С0 для діаграм
стану з евтектиками і розчинами з наявністю мінімальної температури плавлення показує, що зменшенню розчинення основного металу сприяють відсутність або обмеження легування основного металу елементами-депресантами припою, легування припою основним металом, зменшення його розчинності в припої або введення в припої наповнювачів з основного металу, зменшення маси припою, зниження температури паяння. Суттєво впливає на процес розчинення крутизна ліній ліквідусу і солідусу припою (перша похідна ліній по концентрації депресанта). Для зменшення розчинення основного металу перевагу надають припоям на основі систем з розчинами замість евтектик. Зі збільшенням тривалості взаємодії рідкого припою з основним металом розчинення зростає.
Важливе значення для розчинення основного металу під час паяння має швидкість розчинення. Її залежність від температури при високотемпературному паянні може описуватись рівнянням
(4.6)
де vp - швидкість розчинення, мг/(см2с); Ар - константа розчинення; ΔНр енергія активації розчинення; Т - температура, К; R – універсальна газова стана.
Кінетика розчинення характеризується зміною концентрації основного металу в припої і, якщо розчинення лімітується дифузією атомів основного металу в рідині, вона може описуватись рівнянням:
(6.7)
де С - концентрація основного металу в припої в момент часу t; D - коефіцієнт дифузії атомів основного металу в розплаві припою, який часто приймають рівним 3-10-5 см2/с; Со - концентрація насичення
розплава припою основним металом; S - площа поверхні розчинення; δ- товщина міжфазного прошарку; Vp - об'єм розплавленого припою.
Якщо прийняти в початковий момент розчинення концентрацію основного металу в припої С = 0, то після інтегрування рівняння (4.7) отримаємо
(4.8)
Якщо швидкість розчинення залежить від швидкості переходу атомів основного металу в розплав припою і дифузії цих атомів у розплаві, то кінетичне рівняння має вигляд
(4.9)
Де - константа швидкості розчинення, що дорівнює
Wp/C0 для першого випадку та D/δ- для другого випадку; W - імовірність переходу атомів основного металу в розплав припою;
ρ - поверхнева густина основного металу або число атомів на одиничній поверхні.
Рівняння (4.7)-(4.9) показують, що розплав припою насичується основним металом за експоненціальним законом.
Одним із динамічних методів дослідження ерозії є метод диска, що обертається з певною швидкістю в розплавленому металі. При достатній кількості розплаву розчинення диска відбувається практично без зміни складу розплаву. Ерозія визначається за втратою маси диска.
4.3. Обладнання і матеріали
1.Піч вакуумна СНВ-1,3.1/20И1, установка для дифузійно-вакуумного зварювання УДСВ-ДТ для дослідження нікелевих припоїв; робоче місце для паяння газовим полум'ям при дослідженні мідних припоїв; камерна або шахтна піч для паяння низькотемпературними припоями.
4.4. Порядок виконання роботи
9. Оцінити за рівнянням (6.1) схильність до ерозії основного металу в
розплавленому припої.
10. При дослідженні припою НС12, користуючись діаграмою стану системи Ni-Si, розрахувати при 1200 °С коефіцієнт розчинення нікелю за рівнянням (6.3а) та концентрацію нікелю в шві при ізотермічній кристалізації шва за рівнянням (6.5). Результати розчинення порівняти з експериментальними для жароміцного сплаву.
11.3а даними дослідів виготовити фотографії макрошліфів та побудувати графіки залежності коефіцієнта ерозії від температури при постійній тривалості витримки kс —f(Т).
Завдання досліджень за іншими методиками визначає викладач в індивідуальному порядку. Вони виконуються студентами в рамках науково-дослідної роботи поза розкладом.
Висновок: під час виконання даної лабораторної роботи ми ознайомилися із здатністю припою до розчинення в основному металі, і вплив на якість паяного з’єднання, особливостями і технологією паяння.