3.1. Особливості і різновид структури металу шва

 

            Паяне з’єднання з некапілярним зазором можна сформувати при використанні припою, до складу якого входять частки наповнювача із порошку, що не розплавлюються при розплавленні припою. По-іншому можна сформувати з’єднання, заповнивши некапілярний зазор наповнювачем і просочивши його розплавленим припоєм. У першому випадку в паяному шві можливе утворення дефектів, що виникають при кристалізації, тому що в складі композиції припій – наповнювач – не може перевищувати 25% об’єму. В протилежному разі композиційний розплав не зможе переміститися навіть у некапілярний зазор великого розміру. В другому випадку, коли розплав припою просочує наповнювач у зазорі, ймовірність виникнення дефектів значно зменшується.

            Паяне з'єднання з некапілярним зазором складається з шва, зон сплавлення (спаїв) і дифузійних зон. Спаї й дифузійні зони утворюються в результаті взаємодії припою з наповнювачем і металом, що паяється. Тому особливості утворення цих складових з'єднання доцільно розглядати для конкретних  металів, що паяються. Формування металу паяного шва з некапілярним зазором, заповненим наповнювачем, залежить в основному від його взаємодії із припоєм і може бути розглянуте в загальному вигляді без врахування  впливу  металу, що паяється [86].

            Формування металу шва відбувається в чотири стадії: спікання наповнювача в зазорі, заповнення зазору з наповнювачем розплавленим припоєм, взаємодія розплаву припою з наповнювачем і кристалізація. При нагріванні в атмосфері, що не містить кисню, у місцях контакту частинок порошку наповнювача відбувається дифузійне зрощування, що підсилюється процесами відновлення оксидів на поверхні частинок. Після нагрівання до температури вище 8000С у наповнювачі утворюється каркас. Спікання частинок супроводжується зближенням поверхонь, збільшенням площі їхнього контакту під дією стискаючого капілярного тиску [87]. Утворення ланцюжка з’єднаних часток приводить при зменшенні довжини ланцюжка до розтягування перемичок між частинками в перпендикулярному напрямку й утворенню шийок. Утворення  каркасу впливає на заповнення зазору розплавом припою. Експерименти показали, що при взаємодії наповнювача в зазорі з розплавом припою не підтверджуються дані [20, 88] про те, що відбувається капілярна усадка в результаті змочування частинок і їхнє перегрупування під дією капілярних сил. Каркас, що утворюється при нагріванні до плавлення припою, не змінює свого положення з появою розплаву припою. За наявності в паяльному зазорі порожнин без наповнювача вони заповнюються тільки припоєм, якщо він нагнітається в зазор. Перерозподіл наповнювача в зазорі або переміщення його з рідкою фазою в  порожнини не відбувається. Якщо припій переміщується в некапілярний зазор з наповнювачем під дією капілярних сил, то порожнини без наповнювача не заповнюються припоєм.

            Особливості формування структури металу паяного шва при взаємодії наповнювача з розплавом припою залежать від їхньої взаємної розчинності. На рис. 3.1 подана мікроструктура  паяних з'єднань сталі 20, виконаних різними   припоями  при  широкому  паяльному  зазорі  розміром 2 мм із порошковим наповнювачем із залізо-нікелевого сплаву  Н24  зі  сферичними  частинками   діаметром  100-400 мкм.

            Структури, що утворюються, можна розділити на дві групи за ознакою розчинності наповнювача в припої. Припої на мідній основі ВПР1 і ВПР2, а також застосовані як припою мідь МО і латунь Л63 при взаємодії з наповнювачем незначно розчиняють його частинки. Нерозчинений наповнювач у структурі металу швів, виконаних цими припоями, за даними металографічного аналізу становить       ≈ 50% обсягу.

            Припої на нікелевій основі ВПР7, ПЖК-35, ПАН-1 значно розчиняють наповнювач і вміст частинок, що не розчинилися, у металі шва залежно від складу припою зменшується до ≈ 30-40%. У цьому випадку структура матриці металу шва значною мірою впливає на властивості з'єднання. У з'єднаннях, виконаних припоями ВПР7, ПЖК-35, ПАН-1, матриця металу шва має грубозернисту неоднорідну структуру зі значними виділеннями великих крихких силіцидів і карбідів на межах зерен. Матриця металу шва, виконаного припоєм на паладієвій основі ПЖК-1000, складається з однорідного твердого розчину з невеликими розмірами зерен, на межах яких розташовані дрібнодисперсні карбіди хрому.

            Припій на основі марганцю Г70НХ розчиняє наповнювач, але в значно меншій мірі, ніж припої на основі нікелю. Матриця металу шва, утворена цим припоєм, грубозерниста з дрібнодисперсними карбідами на межах зерен.

            Перевірка впливу тривалої (60 хв) ізотермічної витримки при температурі паяння на структуру з'єднання показала, що при застосуванні залізо-нікелевого наповнювача розчинення крихких складових матриці металу шва не відбувається. Значне збільшення витримки при паянні припоями ВПР7, ПЖК-35, ПАН-1 приводить до істотного розчинення наповнювача. Однак повного розчинення наповнювача не відбувається. В усіх випадках його частинки наявні в структурі металу шва, тому що часткове розчинення наповнювача в припої приводить до ізотермічної кристалізації рідкої фази й припинення процесу розчинення. Загалом, збільшення витримки при паянні припоями ВПР7, ПЖК-35, ПАН-1 приводить до росту дендритів і крихких складових матриці металу шва.

            Для визначення впливу складу припою на механічні властивості паяного з'єднання при зазорі 2 мм із залізо-нікелевим наповнювачем паяли зразки із сталей 20 і 35 з витримкою 5 і 60 хв. Схема паяного зразка наведена на рис. 3.2.

            Паяння виконували у вакуумі. Припій, розміщений у зоні завершення кристалізації, після розплавлювання витісняв з наповнювача з розміром частинок 100-400 мкм на периферію шва залишкові гази й підживлював метал шва впродовж  усього періоду його формування. Для порівняння здійснювали паяння зразків із зазором 0,15 мм без наповнювача. Після паяння зразки нормалізували. З паяних з'єднань виготовляли стикові зразки типу І (ГОСТ 23047) діаметром 6 мм для випробувань на розтягування й зразки типу ІІ (ГОСТ 23046) з надрізом по шву для випробувань на удар. Результати випробувань наведені в табл. 3.1.

 

Таблиця 3.1 – Механічні властивості стикових паяних з'єднань із некапілярним зазором

 

Витримка 5 хв

 

Продовження табл. 3.1

 

Витримка 60 хв

 

 

 

 

            Як видно з табл. 3.1, ряд припоїв забезпечує рівноміцність стикового паяного з'єднання з основним металом (сталь 20) за наявності в широкому паяльному зазорі наповнювача. При цьому міцність таких з'єднань, як правило, вища, ніж утворених при капілярному зазорі без наповнювача. При використанні наповнювача значно підвищується ударна в'язкість з'єднання. Загалом механічні властивості повною мірою  відповідають структурі паяних швів.

            У з'єднаннях, виконаних припоями ВПР1, Г70НХ, ПЖК-35, ПАН-1 і ПЖК-1000, незважаючи на невелику витримку при паянні (5 хв), в основному металі виявлена дифузійна зона розміром 200 - 500 мкм зі зміненою структурою. Розміри цієї зони збільшуються в міру зростання  температури паяння. При випробуванні на удар з'єднань із сталі 20, паяних припоями ВПР1, Г70НХ і ПЖК-1000, установили, що злам, який починається у виконаному по шву надрізі, переміщується в дифузійну зону основного металу. Характер зламу крихкий. Збільшення витримки при температурі паяння інтенсифікує процес окрихчування дифузійної зони.

            Аналіз наведених вище результатів порівняльних випробувань паяних з'єднань показує, що за наявності в некапілярному зазорі наповнювача комплекс механічних властивостей - міцність і в'язкість - стикового з'єднання на рівні основного металу можна забезпечити при застосуванні припоїв на мідній основі, менш міцних, ніж припої на нікелевій, марганцевій і паладієвої  основах.

При паянні  некапілярного зазору з наповнювачем із порошків на основі заліза й нікелю мідними припоями можна сформувати ряд різновидів структур (рис. 3.3).

При застосуванні наповнювача, нерозчинного або незначно розчинного в розплаві припою, формується гетерогенна структура, що обумовлює невисокі пластичні властивості металу шва. Форма частинок наповнювача (кристал, куля, циліндр) мало впливає на властивості. Втомна міцність такого з'єднання низька. Експерименти підтверджують дані роботи [89], у якій показано, що криві утомної міцності   просоченого  міддю  заліза  подібні до кривих  для сірого  чавуну. Аналогічну гетерогенну структуру має метал шва при просоченні залізного порошку латунню. Підтверджуються дані роботи [90], що при розмірі частинок порошку > 50 мкм залізний наповнювач можна вважати нерозчинним у латуні.

Разом з тим мала розчинність заліза в розплавленій міді або латуні обумовлює перебіг процесу розчинення-осадження, що дозволяє істотно  змінювати структуру металу шва. На рис. 3.3 в показана структура металу шва, що утворилася при взаємодії розплавленої міді з наповнювачем із суміші порошків низько- і високовуглецевої сталей. Зрощування частинок наповнювача між собою й з основним металом при утворенні стовпчастих кристалів фази Fe-Cu-C істотно підвищує характеристики міцності металу шва. Ефект армування металу шва проявляється й при просоченні композиційного наповнювача латунню.

При  застосуванні  наповнювача,  розчинного  в  припої, утворюється  структура  з  оплавленими  частинками (рис. 3.3 б). При формуванні металу шва розплавом латуні з нікелевим наповнювачем розчинення його в латуні утворює однофазну матрицю шва, а активна дифузія міді й цинку в наповнювач приводить до ізотермічної кристалізації із зникненням рідкої фази при температурі паяння. У таких композиціях наповнювач – припій  збільшення часу витримки при температурі паяння – відводить депресант із матриці з істотним підвищенням її міцності. При певному складі композиції можливий епітаксіальний перехід на межі наповнювач-припій, що порівняно з гетерогенною структурою може підвищити механічні властивості металу шва.

            При  значній  взаємній  розчинності припою й наповнювача можна сформувати метал шва із структурою, близькою до однорідного твердого розчину. На рис. 3.4 показана структура металу шва, утвореного розплавом латуні й наповнювачем із сплаву на мідній основі – копелі МНМЦ43-0,5, що містить 42-44% Nі+Co і 0,5% Mn з температурою плавлення 12900С. Розчинення у двофазній латуні Л63 нікелю й кобальту, що розширюють область твердого розчину α, приводить до утворення однофазного сплаву з підвищеними механічними й корозійними властивостями. Одночасно з розчиненням у частинки копелі дифундує цинк, тому що розчинність Zn в Co практично необмежена, а розчинність Zn в Nі становить 33% [49, 60]. У результаті утворюється з'єднання матриці металу шва й частки наповнювача із плавною зміною концентрації елементів і орієнтованою кристалізацією.

Така структура підвищує пластичні властивості металу шва. При певному співвідношенні складових композиційного наповнювача одна з них може перейти у твердий розчин матриці, а нерозчинні складові армують і зміцнюють метал шва. На рис. 3.5 показана структура шва, утвореного латунню Л63 і наповнювачем із суміші копелі й низьковуглецевої сталі. При вмісті у наповнювачі копелі до 50% він розчиняється з утворенням твердого розчину матриці. При цьому підвищуються міцність і пластичність металу шва [91, 92].

 

Однак більш значне зміцнення відбувається при введенні в наповнювач низько- і високовуглецевої складових. При такому наповнювачі відбувається додаткове армування пластичної матриці орієнтованими зернами надлишкової фази, що випадає з розчину, типу Fe-Cu-C (рис. 3.6) [93].

Особливо відрізняється структура металу шва, виконаного  мідними  припоями  Л63,  ВПР2,  Cu при тривалій витримці в контакті з різними наповнювачами. Частинки наповнювача при взаємодії з розплавленим припоєм диспергуються по межах зерен. Частинки, що утворилися при диспергуванні,  набирають  в основному сфероїдальної форми за рахунок розчинення ділянок з малим радіусом поверхні (рис. 3.7). Процес диспергування і сфероїдизації наповнювача можна використати для підвищення механічних властивостей з'єднання шляхом утворення дрібнодисперсної структури.   Розміри    частинок    наповнювача   100-400 мкм,   вибрані   з  умови  можливості  переміщення в ньому розплавленого припою при формуванні з'єднання, зменшуються при диспергуванні до 5-20 мкм. Рівномірний розподіл по всьому об’єму шва великої кількості дрібнодисперсних частинок наповнювача, що утворилися при диспергуванні, як центрів кристалізації, обумовлює утворення дрібнозернистої матриці. За активністю диспергування  наповнювача припої розташовуються так: Л63, Cu, ВПР2.

Процес   диспергування   активно  відбувається  в  композиційних наповнювачах, що складаються з різних за складом  компактних частинок. На рис. 3.8 показана структура, що  утворилася   на  різних стадіях  взаємодії   великих (Ǿ 0,5 х 1 мм) частинок композиційного наповнювача із суміші частинок нікелю, низько- і високовуглецевої сталі з розплавом латуні.

            Найбільше активно диспергуються частинки, отримані спіканням дрібнодисперсних порошків. У спечених тілах відбувається активна міграція розплавів під дією градієнта хімічного потенціалу компонентів [94]. На рис. 3.9 показана структура металу шва, утвореного при взаємодії розплаву латуні з наповнювачем зі спеченої у вакуумі суміші карбонільного нікелю й залізного порошку ПЖ. Розмір частинок після розмелу конгломерату становив 0,2-0,5 мм. У результаті взаємодії наповнювача із припоєм при короткій витримці утворилася однорідна структура з розміром наповнювача 5-20 мкм. Система з капілярно-дисперсної перетворилася в структуровану дисперсну систему тверде тіло-рідина.