3.4. Вплив вуглецю на формування металу паяного шва

            При паянні з капілярним зазором дифузія елементів розплаву припою в основний метал не викликає істотних змін у його структурі через незначний обсяг розплаву й короткочасності витримки при температурі паяння. При паянні  з некапілярним зазором з наповнювачем об’єм припою, що взаємодіє з  металом, що паяється, значно більший, і тривалість взаємодії для формування необхідної структури може бути на порядок більшою. У цьому випадку взаємна дифузія елементів припою й  металу, що паяється, може істотно впливати на властивості паяного з'єднання.

            При паянні залізовуглецевих сплавів із застосуванням залізовуглецевого наповнювача вуглець є найбільш дифузійно рухливим елементом. Його дифузійна рухливість на 5-10 порядків вища за рухливість елементів при дифузії заміщення. Оскільки вуглець істотно  може змінювати структуру елементів паяного з'єднання, його вплив вимагає окремого розгляду.

            Вуглець може входити до складу  металу, що паяється, і наповнювача. У складі припоїв вуглець трапляється рідко, а в припої на мідній основі він, як правило, не входить. Дифузійне переміщення вуглецю відбувається на всіх стадіях термічного циклу паяння: при нагріванні до Тп, при витримці й при охолодженні. На стадії нагрівання до температури паяння вуглець активно відновлює оксидні плівки на поверхні наповнювача й  металу, що паяється. При паянні низьковуглецевої сталі доцільним є застосування високовуглецевого наповнювача для активізації процесу відновлення оксидної плівки на  поверхні, що паяється. У цьому випадку практично не спостерігається збільшення вмісту вуглецю в дифузійній зоні металу. Це пов'язане з тим, що основна частина    вуглецю, що дифундує з наповнювача, бере участь у реакції відновлення й у вигляді газоподібного оксиду видаляється із зони взаємодії. Перехід вуглецю в масивне  тіло  металу, що паяється, через точкові контакти із частинками наповнювача відбувається неактивно й структурних змін не викликає.

            При паянні  високовуглецевого металу із застосуванням низьковуглецевого наповнювача дифузія вуглецю на стадії нагрівання до Тп проявляється в більшій мірі. В контактуючих з основним металом частинках низьковуглецевого наповнювача збільшується вміст вуглецю. Так, при нагріванні до 1000°С у контакті зі сталлю 65 у зазорі 2 мм вміст вуглецю в безвуглецевому залізо-нікелевому наповнювачі досягає 0,03-0,09%. Вміст вуглецю при цьому визначено щодо всього обсягу наповнювача, що перебував у зазорі. Фактично істотне збільшення вмісту вуглецю поширюється тільки на один, два шари контактуючих з основним металом частинок. Така зміна вмісту вуглецю приводить до різного ступеня диспергування  розплавленим припоєм частинок, що перебувають на різній відстані від  металу, що паяється, (рис. 3.33). Зменшення вмісту вуглецю в поверхневому шарі  металу, що паяється, при переміщенні його в наповнювач не спостерігається, тому що перехід вуглецю через точкові контакти в наповнювач компенсується дифузією вуглецю з масивного тіла металу, що паяється.

            Поява в зазорі розплавленого припою істотно впливає не швидкість дифузії вуглецю між  металом, що паяється, і наповнювачем у тому випадку, якщо вуглець розчинний у розплаві. При застосуванні як припою міді або мідного сплаву, у яких вуглець практично не розчиняється, його дифузія приводить до структурних перетворень тільки при тривалих  ізотермічних  витримках.  Як  було зазначено  раніше,  при  кристалізації  стовпчастих  дендритів  фази Fe-Cu-C утворюються перетинки між поверхнями з різним вмістом вуглецю. При ізотермічній витримці вміст вуглецю через перетинки вирівнюється в  металі, що паяється,  і  частинках наповнювача. Це приводить, залежно від  вмісту вуглецю в наповнювачі, до збільшення або зменшення вмісту вуглецю в дифузійній зоні  металу, що паяється. Повільне охолодження після паяння зменшує ширину дифузійної зони зі зміненим вмістом вуглецю, а нормалізація після паяння  усуває таку  зону в металі, що  паяється.

            Вплив дифузії вуглецю на структуру паяного з'єднання досліджували при паянні  сталей 20 і 45 мідно-марганцевим припоєм. Залізовуглецевий наповнювач містив 0; 0,2; 0,3; 0,4 і 0,5% вуглецю. Паяння  виконували припоєм ВПР2 (Cu-Mn-Nі) при температурі 980°С з витримкою 30 хв. Наявність марганцю в припої обумовлює обмежену розчинність вуглецю в розплаві. Після взаємодії розплаву зі сталлю 45 у припої зафіксовано 0,03% вуглецю. Тому в цьому випадку дифузія вуглецю відбувається не тільки в місцях контакту основний метал-наповнювач, але й через розплав.

            Паяні зразки із сталі 20 і частину зразків із сталі 45 випробували на механічні властивості після паяння, а частину зразків зі сталі 45 нормалізували при 860°С. При випробуваннях на розтягування всі зразки із сталі 20 зруйнувалися по основному металу з межею міцності 420-430 МПа. Зразки із сталі 45 зруйнувалися по металу шва з межею міцності 550-630 МПа. При цьому впливу вмісту вуглецю на міцність не виявлено. Істотний вплив вміст вуглецю в наповнювачі має на ударну в'язкість з'єднання (рис. 3.34). Однозначно виявляється зниження ударної в'язкості зі збільшенням вмісту вуглецю в наповнювачі. Металографічний аналіз з'єднань сталі 20 виявив зміни в дифузійній зоні  металу, що паяється, при різному вмісті вуглецю в наповнювачі (рис. 3.35). За відсутності вуглецю в наповнювачі чітко виявляється зневуглецьована зона (рис. 3.35 а). За наявності вуглецю в наповнювачі в кількості 0,2-0,3% істотних змін у структурі сталі не спостерігається.

            Значення ударної в'язкості в цьому випадку високі. За наявності вуглецю в наповнювачі в межах 0,4-0,5% чітко виявляється міграція вуглецю зі шва в основний метал, що приводить до зміни структури сталі 20. З'являються великі перлітні зерна, голчастий ферит і відманштет. Така структура дифузійної зони знижує ударну в'язкість з'єднання. Незважаючи на те, що надріз у зразках при випробуваннях на ударну в'язкість виконується в паяному шві, руйнування відбувається по дифузійній зоні.

            Характер змін структури сталі 45 після паяння наведений на рис. 3.36, а після паяння  й термообробки – на рис. 3.37. Процес міграції вуглецю спостерігається й у сталі 45, що приводить до утворення в дифузійній зоні сталі структури голчастого фериту у вигляді сітки й великого перлітного зерна. Така структура також може знижувати  ударну в'язкість з'єднання. Термічна обробка сталі 45 після паяння зменшує бал зерна, не усуваючи розподіл фериту, у вигляді сітки. Таким чином, наявність вуглецю в наповнювачі негативно впливає на ударну в'язкість  сталей, що паяються,  насамперед тому, що змінює їхню структуру. Поява голчастого фериту, відманштету, великого перлітного зерна з феритною сіткою послаблює дифузійну зону, що прилягає до шва. Фрактографічне  дослідження зруйнованих при випробуваннях на удар зразків також показало, що тільки за наявності вуглецю в наповнювачі 0,2-0,3% руйнування відбувається по металу шва в’язко. В усіх інших випадках руйнування відбувається по дифузійній зоні основного металу.

            Однак вплив вуглецю при руйнуванні з'єднання по дифузійній зоні полягає не тільки в зміні структури  сталі, що паяється. Істотний вплив його дифузія має і на спай. Дифузійні процеси, що відбуваються в розглянутій системі, якоюсь мірою  аналогічні тим, що відбуваються в простих системах сталь-мідь, нікель, сталь-монель при виробництві біметалів [115]. При дослідженні біметалу сталь-мідно-нікелевий сплав на межі поділу в вуглецевій сталі спостерігається поява темної смужки. У її складі поряд з наявністю Nі і Сu зареєстрований підвищений відносно сталі вміст вуглецю. Електронно-мікроскопічний аналіз темної смужки показав, що вона є продуктом розпаду аустеніту. Структура цієї смужки шириною приблизно мікрон залежно від  вмісту в ній Nі і Сu  відповідає структурі дрібнодисперсного легованого перліту.

Аналогічна структура утворюється в спаї при паянні сталі припоєм ВПР2, що містить, крім міді й нікелю, ще марганець і кремній. Загальним є поява на межі метал-шов темної смужки з боку сталі й більш світлої смужки з голчастою структурою з боку шва. Характер спаю на сталях 20 і 45 наведений на рис. 3.38, 3.39, 3.40.

            З аналізу структури спаю видно, що він має складну будову й складається з одного або двох шарів.

            Один шар (темна смужка) перебуває на межі спаю з боку сталі. Цей шар збагачений вуглецем і, як зазначалося вище, являє собою легований перліт. При паянні сталі 20 і 45 із застосуванням безвуглецевого наповнювача в спаї відсутня структура легованого перліту, зміна концентрацій твердих розчинів плавна, зон, що різко відрізняються мікротвердістю, немає. При підвищенні вмісту вуглецю в наповнювачі в темному прошарку переважає троостит. З підвищенням вмісту вуглецю змінюється структура шва, що прилягає до темної смужки з боку світлого шару. За даними мікрорентгеноспектрального аналізу, він містить 2-6% міді, 2-7% марганцю, 2-10% нікелю. Верхня межа вмісту цих елементів відповідає зоні, пов'язаній з металом шва. Світлий шар при високому вмісті вуглецю в сталі й наповнювачі неоднорідний за структурою й мікротвердістю. У зоні, що прилягає до темного прошарку, він має голчасту будову (рис. 3.41) типу мартенситних голок і підвищену мікротвердість (450-700 НV20 ). Наявність двох шарів, що різко відрізняються мікротвердістю, є причиною низької  ударної в'язкості з'єднання.      Пояснення особливостей структуроутворення в спаї необхідно шукати у висхідній дифузії вуглецю при дифузії в сталь міді. З появою в дифузійній зоні міді утворюється шар з підвищеним стосовно  основного металу вмістом вуглецю. За відсутності в наповнювачі вуглецю він активно дифундує в метал шва. При цьому в спаї не утворюються структури типу сорбіт, троостит. При підвищенні вмісту вуглецю в наповнювачі в спаї утворюється шар з підвищеним вмістом вуглецю, що обумовлює утворення гартівних структур як у сталі (темній смужці), так і в легованому твердому розчині (світлій смужці).