![](/user_photo/_userpic.png)
книги из ГПНТБ / Долгов Ю.С. Вопросы формирования паяного шва
.pdf![](/html/65386/283/html_UMYHo9m5CN.mNYF/htmlconvd-F4ULMd1x1.jpg)
ю.с. долгов,
Ю.Ф. сидохин
ВОПРОСЫ
ФОРМИРОВАНИЯ
ПАЯНОГО
ШВА
«М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е »
МО С К В А
1 9 7 3
Д64 УДК 621.791.357:621.79.01
Д о л г о в |
Ю. С,- С и д о х и н Ю. Ф. Вопросы |
формирования |
паяного шва. М., «Машиностроение», |
1973, 136 с. |
|
В книге рассмотрены процессы физико-химиче ского взаимодействия припоев с основными метал лами на разных этапах формирования паяного шва, а также вопросы теории и технологии капиллярной, контактно-реакционной, диффузионной пайки. Обоб щены результаты исследований по влиянию струк туры швов на механические свойства паяных соеди нений.
Книга рассчитана на инженерно-технических ра ботников, занятых в области пайки.
Табл. 18. Ил. 83. Список лит. 81 назв.
научно - тохкг'. «ал библиотека С О ^ Р
3126—096 Д 038(01)-73 96І-73
©Издательство „Машиностроение". 1973г.
П Р Е Д И С Л О В И Е
Пайка, будучи одним из древнейших металлургических процессов соединения Материалов, превратилась из ремесла в прогрессивный технологический процесс со единения металлов, неметаллических ма териалов, а также металлов с неметал лами.
В настоящее время пайка использует ся во всех областях техники. В ряде отрас лей применение пайки позволило коренным образом изменить существовавшие до это
го принципы конструирования. Многие |
со |
|||||
временные |
конструкции |
удалось |
сделать |
|||
наиболее технологичными, |
используя |
новей |
||||
шие достижения в области пайки. |
|
|
||||
Пайка может с успехом применяться в |
||||||
химическом, |
энергетическом, |
транспортном |
||||
и тяжелом |
|
машиностроении, |
автотракторо |
|||
строении, |
в |
производстве |
строительных |
и |
||
других металлоконструкций. |
Особенность |
пайки в том, что можно получать соедине ния при различных температурах, исполь зуя большой ассортимент припоев, и вы
полнять |
большое |
количество соединений, |
в том |
числе в |
труднодоступных местах |
сложных |
узлов. |
|
Вместе с тем следует отметить, что за кономерности многих явлений и процессов, лежащих в основе данного способа соеди нения материалов, остаются до сих пор недостаточно изученными. На современном этапе одной из главных задач в области пайки 'является создание общей количест венной теории процессов пайки. Из большо го комплекса проблем, разработка которых і; составит содержание теории пайки, сле-
дует выделить как одну из главных — про блему изучения процессов взаимодействия припоя с основным металлом на разных этапах формирования паяного шва. От ее решения во многом зависит возможность получения паяного соединения с требуемы ми свойствами.
В данной книге главное внимание со средоточено на анализе физико-химических процессов взаимодействия основного метал ла и припоя на разных стадиях получения паяного соединения.
На основе экспериментальных исследо ваний, проведенных авторами, а также ана лиза литературных данных в книге даны теоретические представления о главных этапах процесса формирования паяного шва: смачивании, растекании, заполнении жидким припоем капиллярных зазоров, рас творении в припоях основных металлов, диффузии компонентов припоя в основные металлы, кристаллизации паяного шва и влиянии структуры швов на механические свойства паяных соединений.
Г л а в а 1
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ В МИКРООБЪЕМАХ ПАЯНЫХ ШВОВ
Достигнутый и последнее время прогресс в изучении зако номерностей формирования паяных швов и установлении свя зи между структурой швов и свойствами паяных соединений * стал возможен благодаря совершенствованию ранее существо вавших и появлению новых методов анализа состава и струк туры в микрообъемах сплавов.
Особенно интересные данные получены в результате приме нения локального рентгеноспектрального анализа с помощью электронного зонда, позволяющего анализировать непосред ственно химический состав и распределение элементов в пая ных швах. Методы, используемые ранее для этих целей, позво ляли получать в основном качественные и лишь в простейших случаях количественные результаты. Микрорентгеноспектральный метод дает возможность с наивысшей (достигнутой в на стоящее время) локальностью производить количественный хи мический анализ паяных швов, выполненных многокомпонент ными припоями.
Для наиболее эффективного изучения вопросов металлове дения и металлургии пайки необходим правильный выбор и рациональное использование методов исследования с учетом особенностей объекта исследования.
Ссгним из главных требований, предъявляемых к методу ис следования паяного шва, является высокая степень локально сти, позволяющая получать сведения о состоянии сплавов в объемах, соизмеримых с размерами отдельных зон паяных со единений. Моделирование материала паяного соединения на массивных образцах, для работы с которыми может быть ис пользован любой из известных методов металловедческого ана лиза, возможно.в ограниченных случаях, поскольку воспроизве сти в массивном образце многие особенности структуры пая ного шва, как правило, не удается.
В тех случаях, когда эти особенности не имеют существен ного значения, правильный выбор модельных сплавов должен основываться на данных о химическом составе соответствую щих участков паяного соединения. Например, при моделирова-
* Под паяным соединением понимается участок паяной конструкции, вклю чающий кристаллизационную зону, диффузионные зоны, а при местном на греве также зоны термического влияния.
нии кристаллизационной зоны * паяного соединения требуется предварительное определение ее химического состава, который может заметно отличаться от состава припоя. В данном случае локальный химический анализ позволит правильно выбрать ма териал — аналог кристаллизационной зоны, на котором могут быть выполнены измерения физических и механических свойств методами, предполагающими использование крупномасштаб ных образцов.
На первом этапе структурного исследования необходимо выявить при минимальном искажении все детали микро- и мак роструктуры соединения. В дальнейшем задача состоит в рас шифровке структуры: идентификации фаз и структурных со ставляющих паяных швов, определении их химического со става, кристаллического строения, интересующих свойств и решении других вопросов.
Микроструктурный анализ паяных швов является универ сальным методом исследования и, как правило, предшествует всем другим. Микроструктура характеризуется числом, разме рами, формой, взаимным расположением и количественным со отношением фаз и структурных составляющих паяного шва.
Шлиф для микроскопического исследования паяного шва может быть изготовлен перпендикулярно к плоскости спая или под углом к ней («косой шлиф»). Преимущественное распро странение получили микрошлифы первого типа. Косые шлифы в ряде случаев дают возможность получить дополнительные сведения о структуре швов и выявить такие ее детали, которые можно и не обнаружить на обычных шлифах. Так, использова ние косых шлифов позволило А. С. Екатовой установить явле ние измельчения зерна основного металла в диффузионных зо
нах ** при пайке |
железа медью, происходящего вследствие миг |
рации меди по |
границам зерен и элементов субструктуры |
железа. |
|
На косых шлифах могут быть отчетливо выявлены и изме рены свойства тончайших интерметаллидных прослоек, более полно выявлены дефекты шва и т. д.
Заготовка косого шлифа может быть получена механической обработкой образца, ориентированного под острым углом к пло скости спая, или электроэрозионной разрезкой на установках с проволочным электродом.
Шлифование образцов паяных швов производится по обыч
ной |
методике в несколько |
этапов |
с постепенным |
уменьшением |
* |
Кристаллизационная зона |
— зона, |
которая образуется |
при охлаждении |
в результате затвердевания жидкого сплава, существовавшего в шве при тем пературе пайки.
** Диффузионные зоны представляют собой участки твердого при темпера туре пайки металла, химический состав которого отличается от состава
паяемого (соединяемого, основного) металла |
вследствие протекающей при |
пайке диффузии в твердой фазе компонентов |
припоя и паяемого материала. |
крупности частиц абразивного материала. Определенные труд ности возникают при последующем "полировании. Значительное различие по химическому составу основного материала и ме талла шва, как правило, исключает возможность применения химического и электролитического полирования. При заметном различии по твердости обычное механическое полирование на мягком сукне также дает неудовлетворительные результаты. В этом случае на границах шва часто образуются уступы, за трудняющие микроскопическое исследование переходных зон, а твердые слои интерметаллидов выкрашиваются. Для устра нения отмеченных дефектов рекомендуется использовать для полирования алмазные пасты._
Прежде всего отполированный шлиф следует изучить, под микроскопом в нетравленом состоянии: сначала при малом уве личении (до 100), чтобы составить общее представление об об разце, а затем при большом, чтобы изучить детали нетравленой поверхности. Таким образом можно выявить наличие дефектов сплошности (непропай, поры, трещины и др.) и неметалличе ских включений в шве. Иногда выявляются и некоторые эле менты микроструктуры.
Разница в электрохимических свойствах основного материа ла и припоя вызывает известные затруднения в выявлении мик роструктуры паяных швов. При использовании метода химиче ского травления часто не удается подобрать травитель, кото рый одинаково хорошо выявлял бы структуру паяемого металла, диффузионных и кристаллизационной зон шва. В этом случае можно использовать .несколько реактивов либо для травления отдельных зон паяного шва на идентичных образцах, либо для последовательного травления одного образца. Например, для выявления полной микроструктуры швов, образующихся при пайке железа медью, можно рекомендовать последовательное травление 2%-ным раствором азотной кислоты в спирте (на структуру основного металла и диффузионных зон) и 8-%ным раствором хлорной меди в аммиаке (на структуру кристалли зационных зон).
В табл. 1 приведены составы реактивов и способы химиче ского травления для выявления микроструктуры паяных соеди нений некоторых металлов.
Метод электролитического травления для выявления микро структуры паяных швов применяют в случаях, когда паяемый материал и припой имеют одинаковую основу или близки по электрохимическим свойствам. Составы электролитов и режимы электролитического травления, используемые для выявления микроструктуры соединений, некоторых материалов, даны в табл. 2.
За основу при составлении |
табл. 1 и 2 взяты рекомендации |
из работы [58], дополненные |
данными различных исследова |
телей. |
|
|
|
|
Т а б л и ц а ! |
|
|
Составы реактивов и способы химического травления |
|
||
|
паяных |
соединений |
|
|
Основной |
Припой |
Состав |
Способ |
Результат |
металл |
реактива |
травлення |
травления |
Алюминий |
AI —Si |
HF —2 Ч. |
|
Al — Si — Си |
H N 0 3 — 1 ч. |
|
|
(по объему) |
|
Ni-покрытие |
HNOs —кон |
|
|
центрированная |
Титан |
Ті - Си |
HF — 1 ч. |
|
Ті — As, |
H N 0 3 — 1 ч. |
|
Ті — Ni |
Глицерин — |
|
|
1 — 10 ч. |
Погружение |
Структура |
на 10 сек |
основного |
|
металла и |
|
шва |
Погружение |
Структура |
до 20 мин |
покрытия |
Погружение |
Структура |
на 5 сек |
основного |
|
металла и |
|
шва |
Медь |
A g - C u |
Насыщенный |
Погружение |
|
|
|||||
|
|
раствор персуль |
на |
5—10 |
сек |
|
|
|||
|
|
фата |
аммония |
|
|
|
|
|
||
|
|
в |
воде |
|
|
|
|
|
|
|
Медь |
Си — Au |
HNOs — 5 мл |
Погружение |
Структура |
||||||
|
|
Уксусная |
кис |
при 100° С |
шва |
|||||
|
|
лота — 15 |
мл |
|
|
|
|
|
||
|
|
Глицерин — |
|
|
|
|
|
|||
|
|
25 мл |
|
|
|
|
|
|
|
|
Медь + ковар |
Си — Qe |
1 10%-ный |
раст-| |
Протирание Структура |
||||||
|
|
вор FeCh в воде |
в |
течение |
меди, |
ковара |
||||
|
|
| |
|
|
| |
|
10 сек |
и |
шва |
|
Сталь |
Си — Ni — Мп 1 HoSO, — 15 |
мл |
Погружение |
Структура |
||||||
Х18Н10Т + |
|
і HN03 |
— 85 |
мл |
на |
1—2 |
сек |
бронзы и |
||
бронза |
|
і |
|
|
|
|
|
|
шва |
|
Сталь |
Ni — Сг — Мп |
FeCls —5 |
г |
Погружение |
Структура |
|||||
10Х12НВМФА |
|
НС1 (V—1,19)— |
на 30 |
сек. |
стали и шва |
|||||
(ЭИ 962) |
|
—15 мл |
|
После травле |
|
|
||||
|
|
Н 2 0 — 50 |
мл |
ния — осветле |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
ние |
раствором |
|
|
хромпика
В последнее время получает распространение метод «тепло вого» травления, заключающийся в кратковременном нагреве полированного образца на воздухе, в среде химически актив ного газа или в вакууме с искусственным кратковременным
Т а б л и ц а 2
Составы электролитов и режимы электролитического травления паяных соединений
Основной
металл
АМгб
Алюминий
Припой |
Состав |
Плотность втокаа/см2 |
Напряжение вв |
Продолжи тельность травления секв |
Материалка тода |
Результат травления |
||
электролита |
|
|
|
|
|
|
||
А1 — Ga |
Н 3 Р 0 4 |
— 80 мл |
0 , 1 - 0 , 2 |
5 - 6 |
|
50 |
Алю |
Структура |
|
Спирт |
этиловый |
|
|
|
|
миний |
шва |
|
20 |
мл |
|
|
|
|
|
|
AI — 2 п |
НСЮ< (V—1.12) |
- 1 , 8 - 2 , 0 |
|
1 |
|
|
|
|
— |
1 |
10 |
|
|
||||
|
100 мл |
|
|
| |
|
|
|
|
|
Спирт этиловый — |
|
і |
|
|
|
||
|
4 00 мл |
|
|
|
|
|
Сплавы |
Ni — Pd |
F e C l , — 30 |
г |
0,1 |
8—10 |
1 - 2 Нержа |
|
||
Х Н 6 2 В М К Ю |
|
S n C U — |
0 , 5 |
г |
|
|
|
веющая |
|
(ЭИ Э67) и |
|
C u C L - |
1 г |
|
1 |
|
сталь |
|
|
ХН7 7ТЮ |
|
НС1 — 100 мл |
|
|
|
|
|||
(ЭИ 437А) |
|
Спирт этиловый |
|
і |
|
|
|
||
|
|
300 |
мл |
|
|
|
|
|
|
Сталь |
Ni — Mn — |
1 0%-ный |
раствор |
0,1 |
3 - 5 |
2 0 - 3 0 |
То ж е |
Струк- |
|
Х 2 5 Н 1 6 Г 7 А Р |
Cr |
щавелевой кис |
|
|
|
j тура шва |
|||
(ЭИ 835) |
|
лоты в воде |
|
|
|
|
• |
и основ- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• |
НОГО ме- |
Сталь |
Ni — Mn - |
То ж е |
|
0 , 5 |
5 - 7 |
30—40 |
> ! |
талла |
|
X I 8 H 1 0 T |
Cr |
|
|
|
|
|
|
|
|
снижением вакуума. При этом на поверхности образца возни кают окисные пленки (или пленки других химических соедине ний) различной толщины, а следовательно, и окраски, позво ляющие получать качественную картину химической неоднород ности в паяном шве. Особенно эффективен метод теплового травления в случае образования в шве многофазных сплавов или сплавов, структура которых выявляется с трудом. Тепло
вое травление дает четкую картину различно |
окрашенных фаз |
и может быть использовано для установления |
природы фаз. |
К числу недостатков метода следует отнести необходимость нагрева образца, в результате чего возможны изменения в структуре образца, а также искажающее влияние поверхност ных пленок на данные последующего анализа описанными да лее микрометодами (микротвердость, микро-т. э. д. с. и микрорентгеноспектрального анализа).
В металловедении с успехом применяется метод микрострук турных исследований при высоких и низких температурах [35]. С его помощью можно определять температуру смачивания и растекания припоев по поверхности основных металлов, изучать кинетику процессов смачивания, растекания, контактного плав ления, диффузии припоя в основной металл (в том числе меж-