Kvasnickij_Pajka_mat

Дослідження власних напружень і деформацій при паянні різнорідних матеріалів

8.Які властивості з’єднуваних матеріалів впливають на напруження і деформації при паянні?

9.Чим відрізняються результати розрахунків напружень і деформацій спаяних з’єднань спрощеними методами і методами теорії пружності?

10.Як впливає температура паяння на рівень залишкових напружень і деформацій?

101

Паяння матеріалів

Лабораторна робота № 9 ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФУЗІЙНОГО ПАЯННЯ ТА ПАЯННЯ

З ТИСКОМ

Мета роботи: вивчити суть і дослідити процеси, які визначають дифузійне паяння, паяння з тиском, їх характерні особливості та застосування.

9.1. Короткі теоретичні відомості

Сьогодні паяння є одним з широко застосовуваних способів з’єднання деталей, а в деяких галузях, наприклад радіотехніці, електротехніці, приладобудуванні, електроніці, – основним. Зазвичай при цьому використовують низькотемпературні припої (температура плавлення Тпл ≤ 450 °С), основними вимогами до яких є висока технологічність (здатність до змочування, розтікання), пластичність, теплота електропровідність, корозійна стійкість тощо, але відсутні вимоги щодо рівної міцності з’єднань з основним металом.

Зовсім інші припої та методи паяння необхідно застосовувати, якщо спаяні встик з’єднання повинні мати властивості на рівні основного металу в умовах високотемпературної експлуатації і значних навантажень. Сама сутність процесу паяння полягає у використанні припою, який має температуру плавлення нижчу, ніж основний метал. При високій температурі за механічними властивостями припій значно поступається основному металу. Наприклад, в авіації, кораблебудуванні, енергетиці, новій техніці широко застосовують газові турбіни, ефективність яких залежить від температури робочого тіла. Чим вища температура робочого газу, тим вищий коефіцієнт корисної дії (ККД) турбіни та кращі її масогабаритні показники, що вимагає застосування нових високожароміцних матеріалів. Встановлено, що підвищення

102

Дослідження дифузійного паяння та паяння з тиском

температури робочого тіла турбіни від 820 до 1050 °С дозволяє вдвічі збільшити її потужність і підвищити економічність при тих же габаритах.

Підвищення жароміцності сучасних класичних дисперснозміцнюваних матеріалів на основі нікелю супроводжується втратою їх здатності до зварювання плавленням [2] та необхідністю впроводження паяння. При цьому основний метал є високолегованим сплавом, що містить хром, кобальт, вольфрам, молібден, тантал, реній, титан, алюміній, ніобій, гафній тощо, але він повинен мати також жорстко обмежений вміст багатьох інших елементів, наприклад сірки, вісмуту, миш’яку, олова, фосфору, які знижують жароміцність навіть при дуже низькій концентрації, що визначається в ppm (parts per million), тобто 1 ppm = 0,0001 % (мас.). Слід зауважити, що вплив навіть таких широко застосовуваних в сталях елементів як марганець, кремній, вуглець, бор тощо на жароміцність нікелевих сплавів є зовсім іншим. Тому в сучасних нікелевих суперсплавах вміст марганцю обмежується до

0,3…0,5 % (мас.), кремнію – до 0,3…0,5 %, заліза – до 3,0…5,0 %,

вуглецю – до 0,1 %, бору – до 0,005 %.

Таким чином, для забезпечення жароміцності спаяних з’єднань на рівні основного сплаву необхідно отримати в зоні з’єднання хімічний склад металу, який би в максимально можливій мірі задовольняв наведені вище жорсткі вимоги. Для цього основою припою вибирають основу жароміцного сплаву, а для зниження температури плавлення – один або декілька елементів, які утворюють з основою припою евтектики або тверді розчини, що мають мінімальну температуру плавлення. Такі елементи в літературі називають депресантами по аналогії з тими факторами, що знижують тиск. Безумовно, для підвищення температури розпаю і жароміцності з’єднання необхідно концентрацію депресанта в металі шва зменшувати. Цього можна досягти за рахунок розвитку дифузійних процесів у зоні з’єднання. Зменшення концентрації депресантів може відбуватися також за

103

Паяння матеріалів

рахунок їх випаровування, зв’язування в тугоплавкі сполуки або суміщення цих процесів. Найбільш широко застосовують дифузійне паяння з відводом (дифузією) депресантів в основний метал. Розвиток дифузійних процесів між рідким припоєм і основним металом призводить до розчинення останнього, збагачення припою елементами основного металу, зменшення концентрації депресанта в шві, підвищення температури солідусу припою і кристалізації металу шва при температурі паяння. Цей процес називають ізотермічною кристалізацією.

Ізотермічна кристалізація відбувається лише за умови зменшення концентрації депресантів у металі шва. Саме ізотермічну кристалізацію покладено в основу дифузійного паяння. За визначенням С.В. Лашко і Н.Ф. Лашко, дифузійним паянням називають капілярне паяння, при якому тверднення шва відбувається вище температури солідусу припою без охолодження з рідкого стану [4].

При дифузійному паянні виділяють декілька стадій [4]. На першій відбувається звичайна для капілярного паяння взаємодія рідкого припою і твердого основного металу, тобто змочування і розтікання припою по поверхні твердого тіла, та зазвичай певне розчинення припоєм основного металу. Важливими умовами дифузійного паяння

є існування при температурі паяння твердих розчинів депресанта в основному металі та розчинення припоєм основного металу і збагачення ним припою.

Саме завдяки цим умовам протікає друга стадія дифузійного паяння – ізотермічна кристалізація металу шва. На третій стадії відбувається вирівнювання концентрацій елементів у твердому металі, тобто гомогенізація спаяного з’єднання.

Рушійною силою дифузії елементів у сплаві є наявність градієнта їх хімічного потенціалу, що пов’язано з різною концентрацією елементів, їх хімічною активністю, взаємодією та іншими факторами, вплив яких

104

Дослідження дифузійного паяння та паяння з тиском

врахувати в багатокомпонентних системах досить важко. Тому для вивчення закономірностей формування з’єднань при дифузійному паянні та таких перспективних методах, як композиційне паяння і паяння з тиском, розглянемо концентраційну дифузію, коли рушійною силою процесу є градієнт концентрації дифундованої речовини.

Якщо розглядати стикове спаяне з’єднання двох стержнів квадратного перерізу з стороною a, то воно відповідає випадку дифузії в одному вимірі вздовж осі стержня, перпендикулярно площині стика. Наприклад, розглянемо паяння нікелю припоєм Ni – 12 % (мас.) Si, як показано на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Схема стикового спаяного з’єднання (а) та розподіл кремнію через певний час t дифузії при температурі паяння (б):

1 – t0 =0; 2 – t1 > t0; 3 – t2 > t1; 4 – t3 > t2

Буквою h позначено товщину прошарку розплаву після розчинення основного металу та його ізотермічної кристалізації. Приймемо розподіл в ньому кремнію рівномірним і його концентрацію в прошарку позначимо С0. Кількість дифундуючого кремнію в прошарку є обмеженою і складає a2hC0. Дифузія кремнію протікає в напрямку градієнта концентрації по осі х, тому зручніше розглядати дифузію через одиничну площину з прошарку (а–1), загальна кількість дифундованої речовини в якому складає C0h і до початку дифузії визначається площею прямокутника 1 зі

105

Паяння матеріалів

сторонами h та С0. (рис. 9.1,б). Оскільки іншого джерела дифундованої речовини немає, то надалі при будь-якому розподілі (криві 2–4) дифундованої із прошарку речовини площа під кривою розподілу завжди дорівнює площі прямокутника 1.

Процес дифузії речовини в одному вимірі описується другим

де С – концентрація дифундованої речовини по осі х; t – тривалість дифузії; D – коефіцієнт дифузії даної речовини в конкретному середовищі.

Розв’язання рівняння (9.1) для дифузії з обмеженою кількістю дифундованої речовини C0h з прошарку товщиною h для симетричного потоку з центром О у середині прошарку (див. рис. 9.1,б) має вигляд [1]

Рівняння (9.2) дозволяє визначити концентрацію дифундованої речовини в будь-якій точці для будь-якої тривалості дифузії. Найслабшим в з’єднанні є те місце, де концентрація депресанта найбільша. Як видно з рис. 9.1,б, таким місцем залишається центр прошарку при х = 0. З рівняння (9.2) знаходимо

тобто максимум концентрації знижується за законом t-1/2.

Коефіцієнт дифузії D залежить від температури і визначається за рівнянням

106

Дослідження дифузійного паяння та паяння з тиском

де Qд – енергія активації дифузії даної речовини в конкретному середовищі.

Рівняння (9.3) і (9.4) зв’язують основні технологічні параметри

Якщо встановлена величина допустимої концентрації [С(0,t)] депресанта в з’єднанні (за впливом депресанта на властивості з’єднання), то час її досягнення при початковій концентрації С0 і коефіцієнті дифузії D (для даної температури) визначається рівнянням

Рівняння (9.5) показує, що тривалість гомогенізації металу до необхідного стану пропорційна квадратові товщини прошарку і квадратові відношення С0/С(0,t) . Слід підкреслити, що С0 не є початковою концентрацією депресанта в припої, а знаходиться по лінії солідусу діаграми стану основа сплаву – депресант для температури паяння, як роглянуто в ЛР № 6.

Коефіцієнт розчинення нікелю припоєм НС12 знаходиться за рівнянням (6.3а), в якому С0 = 0, а Cs знаходиться для температури паяння за діаграмою стану, наведеною в додатку.

З діаграми видно, що при температурі паяння 1175 °С Cs ≈ 8 %, початкова концентрація кремнію в припої складає 12 % (мас.). За експериментальними даними, при розчиненні жароміцних нікелевих сплавів припоєм HC12 Cs = 5,0...5,6 %. Густина припою визначається за рівнянням

107

Паяння матеріалів

де mNi, mSi, ρNi, ρSi – відповідно маси та густини компонентів припою.

За розрахунком ρпр = 6,65 г/см3. Густина нікелю ρNi = 8,90 г/см3. Тоді за рівнянням (6.3а) Kp = 0,37.Оскільки основний метал розчиняється припоєм, що знаходиться в зазорі, то ширина шва збільшиться на 37 %, а концентрація кремнію в шві зменшиться, однак вона залишається високою. Якщо розглянути розчинення жароміцного нікелевого сплаву при ізотермічній кристалізації припою, то коефіцієнт розчинення і ширина шва зростуть майже вдвічі, а концентрація кремнію буде перевищувати 5 %. Концентрація кремнію в основному металі зазвичай обмежується до 0,5 %.

Розглянемо можливість зменшення концентрації кремнію в центрі шва на третій стадії дифузійного паяння за рахунок дифузії в твердій фазі.

При капілярному паянні оптимальними вважаються зазори 0,05...0,15 мм. Візьмемо мінімальний зазор 0,05 мм і знехтуємо збільшенням ширини шва при розчиненні основного металу, а початкову концентрацію кремнію в шві приймемо 5,0 %. За рівнянням (9.5) розрахуємо необхідну витримку при температурі дифузії для зменшення концентрації кремнію в центрі шва до 1,0 %. Температура дифузійної гомогенізації металу з’єднання не повинна перевищувати температуру знеміцнення, яка, як правило, не перевищує 1200 °С. Якщо

дефектів структури поверхневих шарів основного металу, термоциклування тощо, але якщо враховувати дійсну значно більшу

108

Дослідження дифузійного паяння та паяння з тиском

ширину шва при капілярному паянні, то досягти суттєвого зниження концентрації депресанта в шві за рахунок дифузії в твердій фазі не реально. Адже збільшення ширини шва в 2 рази (до 0,1 мм) збільшує тривалість гомогенізації в 4 рази, оскільки тривалість дифузії пропорційна квадратові товщини припою. Слід враховувати також можливість утворення пористості металу при тривалих високотемпературних витримках за рахунок ефекта Кіркендала (нескомпенсовані дифузійні потоки). Тому при дифузійному паянні справедливо головну роль відводять розчиненню основного металу та ізотермічній кристалізації, але цього не достатньо для наближення хімічного складу металу шва до складу основного металу.

Ефективним методом підвищення однорідності металу спаяного з’єднання є зменшення товщини прошарку припою в стику шляхом стискання деталей після змочування поверхонь припоєм. Такий метод називають паянням стисненням. Він, крім температури і тривалості паяння, має ще один важливий параметр – тиск. Тому його ще називають паянням з тиском. У спеціалізованих установках тиск створюється гідравлічними або механічними пристроями. Гідравлічні пристрої використовуються в установках УДСВ-ДТ, ВВУ-1Д (див. рис. 1.6, 1.7) та багатьох інших, призначених для дифузійновакуумного зварювання [1]. При паянні у вакуумних печах типу СНВ стиснення деталей можна забезпечити за рахунок градієнту температури між внутрішньою і зовнішньою деталями, при паянні різнорідних матеріалів – вищого КЛТР внутрішньої деталі та іншими способами.

Якщо використовується готовий припій, витиснення надлишку припою необхідно проводити після змочування з’єднуваних поверхонь. Доцільно використовувати припої, які утворюють з основним металом хоча б обмежені розчини, але стиснення доцільно проводити до

109

Паяння матеріалів

початку інтенсивного розчинення основного металу, яке змінює хімічний склад і властивості розплаву.

Товщина шару рідини, яка стискується між двома поверхнями та не взаємодіє з ними, визначається рівнянням Рейнольдса і залежить від в’язкості та швидкості стискання. При збільшенні цих параметрів товщина рідини зростає. В’язкість розплаву зростає зі збільшенням розчинення основного металу. Низьку в’язкість мають евтектики. В’язкість розплавів зменшується при підвищенні температури, але підвищення температури сприяє інтенсивному розчиненню основного металу.

В процесі паяння з тиском умовно можна виділити три стадії, показані на рис. 9.2.

110