1.5. Особливості взаємодії розплаву припою з основним металом

 

            Взаємодія основного металу з розплавом припою має одну загальну особливість – це взаємодія обмеженого незначного об’єму рідкої фази розплавленого припою з нескінченою  по відношенню до неї масою основного металу. Винятком є паяння тонкостінних конструкцій, в яких  розміри прошарку розплавленого припою і деталей конструкції можуть бути достатньо близькими.

            Тому основним при високотемпературному паянні є процес дифузії елементів основного металу в розплав припою. На параметри цього процесу впливає багато факторів, з яких  визначальними  є  градієнт  концентрації та коефіцієнт дифузії. Останній залежить від взаємної розчинності елементів, виду структурних фаз, що утворюються, температури процесу і швидкості її зміни. В загальному процес підпорядкований законам термодинаміки фізики конденсованого стану речовини. Численні комбінації взаємодії – основний метал – розплав припою – термічний цикл паяння – потребують окремого розгляду в кожному конкретному випадку, що є об’єктом практичних досліджень і розробки технологічних процесів. База даних теоретичного і практичного надбання технології високотемпературного паяння сконцентрована в сучасній технічній літературі такій, як [4, 9, 44].

            Незважаючи на малий об’єм розплаву припою, в ряді випадків його вплив на формування нерознімного паяного з’єднання не є другорядним. У першу чергу це пов’язано з негативним впливом розплаву припою на механічні властивості основного металу, а саме – значне, інколи неприпустиме зниження міцності і пластичності матеріалу, що паяється. Це явище, що має назву ефект Ребіндера, пов’язане з адсорбційним зниженням міцності твердого тіла в контакті з рідкою фазою, зокрема з розплавом припою. Суть ефекту пролягає в полегшенні розриву твердого тіла і відповідно в зменшенні роботи утворення нових поверхонь у ньому. Дефекти, що утворюються при цьому (мікротріщини, вакансії, пори та ін.), сприяють формуванню макротріщин і деформації твердого тіла. Дефекти, що являються капілярами, адсорбують атоми поверхнево-активного середовища і є каналами для їх подальшого проникнення в об’єм твердого тіла. Це призводить до зниження межі течії, крихкого руйнування і спонтанного подрібнення поверхневого прошарку. Цей ефект суттєво впливає на процес паяння  і  на  властивості з’єднання.  Так, при паянні дисперсно-тверднучих сплавів на основі Ni-Cr, таких, як ХН67ВМТЮ, сталей мартенситного (06Х15Н6МВФБШ) і перехідного (07Х16Н6) класів срібно-мідними припоями можливе руйнування конструкції в процесі паяння або при експлуатації.

            Процес адсорбційного зниження міцності і окрихчування матеріалів ретельно досліджено при розробленні технології високотемпературного паяння біметалевих конструкцій ракетних двигунів [45, 46].

            Установлено, що взаємодія розплаву припою з дисперсійно-тверднучими сплавами знижує їх міцність до 80%, а високолегованих сталей – до 25%. Наявність на поверхні металу, що паяється, концентраторів напруги суттєво підсилює ефект взаємодії.

            Зниження міцності і окрихчування відбувається за наявності напруги розтягування. Таке напруження створюється під дією ваги конструкції, за наявності різниці коефіцієнтів термічного  розширення  контактуючих  деталей, а також при алотропічних перетвореннях структури матеріалів, що супроводжуються появою внутрішньої напруги. Ефект адсорбційного зниження механічних властивостей матеріалу, що паяється,  повинен бути врахований при розробленні технології з’єднання в кожному конкретному випадку, особливо при освоєнні нових матеріалів і різновидів конструкцій.

            Причиною руйнування і утворення дефектів при паянні може бути не тільки адсорбційний ефект Ребіндера. Взаємодія розплаву припою з основним металом може призвести до виникнення мікродефектів при утворенні нових структурних складових у металі, що паяється. Прикладом такого руйнування є утворення мікродефектів при паянні сталевих тонкостінних пластинчато-ребристих теплообмінників з застосуванням як припою міді.

            На практиці при виготовленні  паяних міддю у вакуумі тонкостінних теплообмінників  зі сталевої стрічки 08кп виявлено  утворення наскрізних дефектів у вигляді мікротріщин за відсутності зовнішніх розтягувальних напруг [47]. Для виготовлення теплообмінників застосовують особливо м'яку стрічку зі сталі 08 товщиною 0,1-0,25 мм. До паяння в стрічці наскрізних дефектів немає. Після паяння переважно в місцях вигину стрічки з'являються дефекти у вигляді мікротечій, що виявляються при випробуванні стисненим повітрям у ванні з водою. Утворення таких дефектів нестабільне, його інтенсивність суттєво  залежить від складу металу стрічки.

            Досліджували теплообмінники,  виготовлені з металу трьох плавок (табл. 1.1) із різним  вмістом вуглецю.

 

Таблиця 1.1 – Хімічний склад стрічки,  %

 

 

            У теплообмінниках, виготовлених  зі стрічки А, течі виявляли рідко. При застосуванні стрічки С дефекти з'являлися стабільно. Структура й механічні властивості досліджуваних стрічок у початковому стані відрізнялися мало (табл. 1.2). Після нагрівання у вакуумі за режимом паяння до 11200С межа  міцності металу стрічки знижувалася, особливо суттєво  для стрічки С. При розтяганні  стрічок у початковому  стані  руйнування мало в’язкий  характер, а після нагрівання  в зламі  з'явилися  ознаки крихкого відколу. Метал стрічки С після  нагрівання  ставав  великозернистим (3-4 бал зерна). У початковому  стані відповідно до ГОСТ 5639-82 він дорівнював 8-9 балам.

            Металографічний аналіз показав, що в металі  стрічки А після взаємодії з розплавленою міддю утворюється прошарок перліту з підвищеним вмістом вуглецю, що підтверджує дані роботи [48]. У стрічці С такого прошарку немає (рис. 1.20).

 

 

 

 

Таблиця 1.2 – Механічні властивості стрічки 08кп

 

 

 

            Після нагрівання до температури паяння суттєво  змінилася й макроструктура стрічки з низьким вмістом вуглецю. Вона являє собою "мозаїку", що складається з великих блоків зерен з однаковим орієнтуванням кристалічних ґраток (рис. 1.21).

На вигині стрічки блоки найбільш великі й мають витягнуту по напрямку деформації форму. По межах  цих блоків після паяння, тобто після взаємодії сталі з розплавленою міддю, утворюються  наскрізні тріщини. При цьому на поверхні металу, що взаємодіяла з міддю, ширина тріщин  більша, ніж  на  тій, що  не  контактувала  з  нею (рис. 1.22).

Причиною утворення тріщин може бути те, що при дифузії по межах зерен у грубозернистій сталі з низьким  вмістом вуглецю мідь проникає на всю товщину стрічки, але по окремих межах з різною швидкістю. У роботі [48] це пояснюється різним  орієнтуванням кристалографічних ґраток на межах зерен.

            Через певний час кількість міді  біля меж зерен досягає 8,5 %. При температурі вище 10940С відповідно до  діаграми стану  Cu - Fe розчин заліза з таким вмістом міді переходить у твердо-рідкий стан [49]. Мікрорентгеноспектральний аналіз показав, що на межах зерен утворюються  прошарки  5-15 мкм, що містять 8,5% міді (рис.1.23).

 

            Такі прошарки при температурі 1100-11200С переходять у твердо-рідкий стан, що приводить до збільшення швидкості дифузії атомів міді й сприяє її проникненню вглиб металу по межах  зерен. Ширина твердо-рідкого прошарку збільшується. Охолодження після витримки приводить до кристалізації твердо-рідкого металу по межах зерен,  що супроводжується усадкою. На рис. 1.24 показана межа зерна, де видно  пластичну деформацію поверхні металу в зоні твердо-рідкого стану.

 

            Кристалізація з усадкою металу по периметру великих зерен або їх блоку викликає напружений стан  і призводить до руйнування на деякій ділянці межі зерна. Найбільш імовірне руйнування стиків, де сходяться три й більше  меж. Утворення наскрізних тріщин можливе в тому випадку, якщо при кристалізації на поверхні металу розплавленої міді немає. А якщо вона є, то під дією капілярних сил  заповнює  тріщини, що з'явилися.

            Утворенню наскрізних дефектів сприяють особливості процесу паяння теплообмінників, що являють  собою багатошарову листову конструкцію. Для її прогріву необхідна витримка у вакуумній печі при температурі паяння ≈ 15-20 хв. Плавлення міді завершується в центральній зоні теплообмінника. При цьому на зовнішніх ділянках,  розташованих  ближче до нагрівачів, метал, що паяється, досить довго перебуває у контакті з розплавленою міддю. За цей час вона проникає по межах зерен на всю товщину стрічки. Одночасно розплавлена мідь заповнює капілярні зазори конструкції, дифундує в сталь, частково випаровується й у результаті до моменту кристалізації на поверхні стрічки рідка фаза відсутня. За однакових умов через меншу швидкість дифузії міді в сталь із більш високим вмістом вуглецю можна уникнути утворення наскрізних дефектів.

            По-іншому відбувається взаємодія  розплаву міді в зазорі  між двома сталевими стрічками з різним вмістом  вуглецю. У цьому випадку поряд з активним проникненням міді в сталь із низьким  вмістом вуглецю відбувається  її розчинення, що може значно ускладнити процес паяння. Однак при цілеспрямованому  застосуванні такого процесу можна змінити якість з'єднання [50, 51]. Наведений вище приклад утворення дефектів при паянні   тонкостінних конструкцій є тільки  однією із проблем високотемпературного  паяння. Трудності виникають при розчиненні тонкостінних елементів з високолегованих сталей у припоях на нікелевій основі,  алюмінієвої стрічки в розплаві  силуміну та  ін.

            Тому знання особливостей взаємодії основного металу з розплавом припою необхідні для обґрунтованого розроблення промислових технологій паяння різних конструкцій з однорідних і різнорідних матеріалів.