1.3. Особливості формування металу паяного з’єднання

 

            Формування металу паяного з’єднання складається з двох основних етапів – заповнення капілярного зазору розплавом припою і подальша його кристалізація.

            Перший етап передбачає створення при збиранні і нагріванні капілярного зазору між поверхнями, що з’єднуються, очищення поверхонь від забруднень і оксидних плівок, захист  поверхонь при нагріванні від окиснення або очищення їх при нагріванні за допомогою флюсів. Усі ці операції належать до технологічних чинників процесу паяння. Об’єктом металознавства в основному є другий етап формування паяного з’єднання – кристалізація розплаву припою в зазорі. Від структури металу шва, що утворюється при цьому, залежать механічні властивості з’єднання.

            Процес кристалізації металу  паяного шва в першу чергу залежить від способу нагрівання вузла, що з’єднується паянням. При використанні концентрованих джерел тепла – газового полум’я, плазми, сконцентрованого світла галоїдних ламп, лазерного променя – безпосередньо нагрівається  місце розташування шва. В такому разі процес охолодження і кристалізації має багато спільного з процесом зварювання. Градієнт температури при охолодженні дає напрямок  кристалізації розплаву. При нагріванні вузла в печі температурний градієнт значно менше впливає на кристалізацію розплаву припою. Масивний по відношенню до  розмірів капілярів паяного шва об’єм вузла створює умови для ізотермічного процесу кристалізації. Основний вплив на кристалізацію в цьому випадку має градієнт концентрації елементів основного металу і припою. Зустрічна дифузія елементів припою в основний метал, а його компонентів у розплав припою, змінює склад у дифузійних зонах, що прилягають до спаю. У розплаві припою це в більшості випадків приводить до підвищення температури ліквідусу і початку кристалізації в ізотермічних умовах.

            Одним із факторів побудови структури паяного шва є розмір паяльного зазору. При малих його розмірах (менше 0,05мм) кристалізація  може відбутись одночасно по всій товщині шва. Метал шва утворюють плоскі зерна, що кристалізуються  між двома площинами спаїв. Такий шов може бути сформований як однофазним твердим розчином, так і багатофазним металом. На рис.11 показана структура шва  при  кристалізації  в  капілярному  зазорі ≈ 0,05 мм однофазного твердого розчину на основі паладію при паянні високолегованої аустенітної сталі (рис.11 а) і двофазного сплаву міді з цинком при паянні вуглецевої сталі (рис.11 б).

 

 

            При збільшенні розміру зазору (≈ > 0,1 мм) і відповідно товщини паяного шва при  його формуванні в центрі стикаються два зустрічні фронти кристалізації, що беруть свій початок з площин спаїв. Структура шва формується з двох шарів рівновісних зерен. При кристалізації однофазних твердих розчинів на межах зерен зустрічних фронтів відсутні інші структурні складові. У багатофазному розплаві металу припою відбувається ліквація більш легкоплавких складових, що обумовлює утворення прошарку з відмінними структурними властивостями. У прошарку кристалізуються  евтектика, до нього витісняються карбіди, інтерметаліди та неметалеві включення. Названі структурні складові локально розташовуються в центральній площині металу шва, що є причиною значного зменшення всіх показників механічних властивостей з’єднання. На рис.12 показані різновиди такої структури металу паяного шва.

            У зазорах розміром більше 0,3 мм створюються умови кристалізації металу шва не тільки з поверхні  спаю, але й за наявності центрів кристалізації – в об’ємі всього шва. При цьому утворюється дендритна структура, в якій розміри дендритів залежать від складу металу шва, рівня переохолодження і швидкості зниження температури. Метал шва таких розмірів може формуватись із однофазного твердого розчину (рис. 13 а) і багатофазного сплаву. На стиках  дендритів  осаджуються  інтерметаліди, дрібнодисперсні голки мартенситу (рис. 13 б), неметалеві включення, а при завершенні кристалізації в міждендритних прошарках може кристалізуватись евтектика (рис. 13 в).

 

            Аналіз структури паяного з’єднання, що формується залежно від розміру зазору між поверхнями основного металу, пояснює її вплив на механічні властивості нерознімного з’єднання. У спаї, що з’єднує основний метал і метал шва і є структурною ланкою, в якій узгоджується будова кристалічних ґраток двох металів, утворюється структурне напруження. Релаксація напруги відбувається на певній відстані від спаю. У вузькому зазорі, де кристалізуються плоскі зерна, напружені зони спаїв зближені. Це обумовлює зниження пластичності з’єднання.

            У разі формування структури металу шва із двох шарів зерен, що кристалізуються на поверхні спаїв, в центральному прошарку концентруються в наслідок ліквації структурні складові із суттєвими аномаліями кристалічної ґратки – неметалеві включення, евтектика, вакансії та дислокації. Такий структурний прошарок є причиною низьких механічних властивостей і крихкого руйнування з’єднання.

            При збільшенні розміру зазору між поверхнями, що паяються, тобто при переході до так званого широкого зазору, метал шва кристалізується із дендритів. Початок їх росту розміщений на поверхні спаїв, а також в об’ємі металу припою з центрів кристалізації. Такими центрами можуть бути скупчення кластерів та технологічні домішки металевого й інтерметалевого походження. При будові металу шва із дендритів їх стикування розташоване розгалужено в об’ємі, що усуває концентрацію недосконалостей структури в одній площині. Пластичність паяного з’єднання з широким зазором, як правило, зростає. Логічним є цілеспрямоване  створення умов для формування металу паяного шва в широкому зазорі, що містить у собі складові як центри кристалізації, або насичення ними розплаву припою, який заповнює зазор. Відповідає  цим технологічним і металургійним вимогам   високотемпературне паяння з широким зазором, що заповнений металевим  порошком. При  заповненні розплавом припою під дією капілярних сил розгалуженої мережі, що утворюють частинки порошку, формується композиційний метал для з’єднання двох поверхонь  (рис.14) [6].

            Композиційний метал формується із матриці розплавленого  припою  і  часточок  твердого тіла із металевого порошку. Об’єми рідкої фази, що кристалізується в тривимірному просторі між частками порошку, зменшуються до мікронних розмірів і тим самим до мікронних розмірів зменшуються ймовірні дефектні структурні складові в металі шва. Дезорієнтоване їх розташування є підставою для підвищення механічних властивостей з’єднання.

            Процеси, що відбуваються у реальному пористому тілі,  такому, яким є  порошок у некапілярному зазорі, при просоченні  його рідким металом ускладнюється дифузійною взаємодією [11].

            Процес взаємодії  твердої й рідкої  фаз залежить від взаємної розчинності. При цьому можуть мати місце три системи взаємодії: система зі  значною взаємною розчинністю компонентів, система з обмеженою розчинністю компонентів і система з нерозчинними компонентами в рідкому й твердому станах. Принципово система зі значною взаємною розчинністю непридатна для паяння через непротяжне переміщення розплавленого припою в  порошку, що розчиняється. Система з нерозчинними компонентами характерна для металокераміки, де порошком  є карбіди, бориди й ін. речовини. Для високотемпературного паяння найбільш застосовна система з малорозчинними або обмежено розчинними компонентами. 

            При просоченні  необхідно враховувати гравітаційні сили. Тільки  при  дрібнодисперсному  (менше  20 мкм) порошку, коли розмір радіуса капілярного каналу менше 10-6 м, можна не враховувати вплив ваги при переміщенні  припою знизу вгору на висоту просочення. При розмірах часток 30-120 мкм розмір каналів становить  10-4-10-5 м, і гравітаційні сили  впливають   на висоту підйому  припою в порошку.

            Паяний шов, що формується розплавом припою на поверхні твердого тіла, є гетерогенною системою, і структура перехідної зони між фазами – спаю – має першорядне значення для властивостей з’єднання. Змочування і розтікання  розплаву, що є неодмінною передумовою формування з’єднання, відбувається при певній активації атомів на поверхні фаз. Високотемпературне нагрівання є тим енергетичним джерелом, що приводить до фізико-хімічних реакцій взаємодії з утворенням зв’язків між атомами кристалічних ґраток фаз. При розтіканні розплаву припою по поверхні основного металу утворюється спільна поверхня двох фаз, що відтворює макрорельєф твердого тіла і мікроскопічний стан поверхні.  Розплав проникає в мікродефекти на поверхні, змінюючи їх стан, а також проникає в тверде  тіло  по  межах зерен. Цей процес, що має назву адсорбційне зниження міцності твердого тіла при змочуванні, за наявності напруги розтягування може призвести до руйнування твердого тіла. На рис.15 показана структура спаю сталі припоєм на основі паладію. Розплав проникає в сталь по межах зерен на відстані декількох їх шарів. Особливо високою проникністю в сталь характеризується розплав міді. 

            Саме по собі проникнення розплаву в тверде тіло, якщо воно не призвело до руйнування деталі при температурі паяння, не є  негативним явищем. При кристалізації формується паяний шов з численними розгалуженнями в тіло основного металу. У деяких випадках цей процес може бути використаним як технологічний засіб для зміцнення з’єднання. На рис.16 показаний спай сірого чавуну мідно-марганцевим припоєм. Розплав припою відділив на поверхні чавуну його зерна, що були частково зруйновані при механічній обробці, і по межах проник в тіло чавуну на відстань 2-3 шарів зерен, розчиняючи пластинки графіту.

            Проникнення розплаву припою по межах зерен і розчинення пластинок графіту, що залягають в них, приводить до зміцнення поверхневого шару чавуну і створює якісне з’єднання.

 

            Паяні з’єднання здебільшого застосовуються в конструкціях, що передбачають формування паяного шва внапуск між деталями, що паяються. В такій конструкції необхідний запас міцності досягається розміром напуску. При цьому компенсується наявність внутрішніх структурних напружень, що обумовлені гетерогенністю структури спаю.

            У стикових паяних з’єднаннях досягнення механічних властивостей на рівні основного металу можливе при формуванні структури спаю, однорідної з основним металом. Така вимога ускладнює процес формування паяного з’єднання, і її виконання можливе тільки в деяких випадках структуроутворення. Однорідними за структурною будовою є паяні шви, в яких метал має аустенітну основу і з’єднує основний метал з такою самою структурою. Прикладом такого з’єднання є паяні шви аустенітної сталі припоями на паладієвій основі. Спаї в таких швах мають однорідну з основним металом структуру. При кристалізації метал шва наслідує структуру металу, що паяється  (рис. 17). Межі зерен основного металу мають продовження в металі шва.  За наявності в основному аустенітному  металі характерної структури з двійниками зерен така сама структура утворюється в металі шва. Однорідність структури спаю, металу шва і основного металу обумовлює рівні механічні властивості стикового з’єднання при всіх видах навантажень.

            Структурна однорідність спаю може бути сформованою не тільки при однофазній аустенітній структурі компонентів з’єднання. На рис. 18 показана мікроструктура паяного шва низьколегованої сталі 34ХН1М, виконаного припоєм на паладієво-кобальтовій основі. При легуванні сплаву Pd – Co залізом утворюється перлітно-мартенситна структура металу шва, що має структурні параметри, такі, як і у основного металу. Легування може здійснюватись введенням в сплав  Pd – Co заліза при створенні припою, а також за рахунок дифузії заліза із основного металу в ізотермічних умовах під час паяння. При такому структурному формуванні забезпечується рівноміцність з’єднання і металу, що паяється.

            Досягнення структурної однорідності в спаї є характерною особливістю високотемпературного паяння сплавів на основі титану. Висока дифузійна активність міді, нікелю, цирконію в титанових сплавах обумовлює зниження градієнта концентрації між основним металом і металом припоїв на основі  Cu, Ni, Zr під час довготривалого ізотермічного нагрівання при температурі паяння. У результаті певних температурно-часових режимів паяння досягається структурна однорідність не тільки в спаї, але й паяному з’єднанні в цілому (рис.19).

            У наведеному вище огляді особливостей формування паяних з’єднань виділено їх основні типові різновиди. При численних комбінаціях складових багатофакторного  процесу паяння – хімічного та структурного складу компонентів, геометричних розмірів конструкції, температурно-часових режимів паяння та термічної обробки – формується один із різновидів структури. Металографічний аналіз мікроструктури паяного шва на стадії розроблення технологічного процесу паяння або при контролі його виконання у виробництві дає змогу прогнозувати властивості з’єднання. Такий аналіз особливо необхідний, коли постає завдання створення з’єднання відповідальної конструкції, що експлуатується при високому рівні вібраційних навантажень.