materialovedenie_chi_metallovedenie_93
.pdf
Сплав марки ПОС-40 является заэвтектическим. Его микроструктура состоит из темных первичных зерен -твердого раствора олова в свинце и эвтектики ( + ) в виде темных включений-фазы на светлом поле -фазы, внутри первичных зерен видны светлые кристаллы вторичной -фазы (рис.3). Травление сплавов типа ПОС производится обычно 4%-ным раствором HNO3 в спирте. Сплавы марок ПОС-61 и ПОС-40 обладают наибольшей прочностью и технологичностью из оловянно-свинцовых припоев. Припой ПОС-61 имеет предел прочности при растяжении 47 МПа, относительное удлинение 34%, припой ПОС-40 соответственно 38 МПа и 54%.
Рис.2. Схема микроструктуры спла- |
Рис.3. Схема микроструктуры спла- |
ва марки ПОС-61. Эвтектика ( + ) |
ва марки ПОС-40. -фаза, II-фаза |
500 |
и эвтектика ( + ) 200 |
Для повышения механических свойств в оловянносвинцовые припои иногда вводят до 6% сурьмы. Марки таких припоев - ПОССу18-2 и ПОССу4-6. Добавление сурьмы в большем количестве нецелесообразно, так как это приводит к выделению сурьмы в свободном состоянии, что в сильной степени охрупчивает сплав.
В последние годы на основе олова разработаны припои с повышенной коррозионной стойкостью в тропических условиях. Это припои марок ВПр6 и ВПр9. Состав сплавов следующий: припой марки ВПр6 7,5 0,5% сурьмы; 8,0 0,5% серебра; остальное олово (интервал кристаллизации 245-270ОС)); припой марки ВПр9 (1,0 0,2% сурьмы; 5,0 0,5% серебра; 2,0 0,5% меди; остальное олово (интервал кристаллизации 220-250ОС)).
Наряду с оловянно-свинцовыми припоями для тех же целей применяются оловянно-цинковые, которые содержат 90, 70, 60 и 40% олова, остальное цинк. Марки припоев: ПОЦ-90, ПОЦ70, ПОЦ-60 и ПОЦ-40. По сравнению с оловянно-свинцовыми эти припои обладают более высокой прочностью, но меньшей пластичностью.
Структура этих сплавов соответствует диаграмме состояния олово-цинк (pиc.4). В твердом состоянии олово и цинк имеют ограниченную растворимость друг в друге, образуя - и -твердые растворы соответственно цинка в олове и олова в цинке. Фактически структура сплавов состоит из смеси зерен олова и цинка.
Рис.4. Диаграмма состояния системы олово-цинк
Наиболее высокими свойствами обладает припой марки ПОЦ-90, по составу близкий к эвтектическому. Он имеет самую низкую температуру плавления, которая из-за колебаний химического состава лежит в интервале 198-202ОС. Микроструктура этого сплава показана на рис.5, она состоит из эвтектической смеси, представляющей собой темные включения -фазы (олова) на светлом поле -фазы (цинка).
Рис.5. Схема микроструктур сплава |
Рис.6. Схема микроструктуры |
марки ПОЦ-90 Эвтектика ( + ). 500 |
сплава марки ПОЦ-30 -фаза и |
|
эвтектика( + ). 200 |
На рис.6 представлена структура припоя марки ПОЦ-40. Сплав - заэвтектический, микроструктура состоит из первичных зерен -фазы (олова ) и эвтектической смеси -и -фаз (цинка и олова).
Травление оловянно-цинковых припоев производится обычно следующим реактивом: 10-12 капель состава (94 мл НNО3 и 6 г Cr2O3) на 100 мл воды.
Припои на основе цинка применяются для пайки алюминия, магния и сплавов на их основе. В состав припоев входят кадмий, алюминий, медь. Наиболее употребительным и технологичным из них является сплав цинка с 40% кадмия. Этот припой имеет температуру плавления 266ОС, предел прочности при растяжении 100 МПа и относительное удлинение 5%.
Рис.7. Диаграмма состояния системы кадмий – цинк
Структура цинкокадмиевого припоя соответствует диаграмме состояния кадмий-цинк, представленной на рис.7. В твердом состоянии цинк и кадмий имеют ограниченную растворимость, -фаза представляет собой твердый раствор на основе кадмия, -фаза - твердый раствор на основе цинка. При температуре 266ОС в системе протекает эвтектическое превращение.
Рассматриваемый припой является заэвтектическим сплавом, его микроструктура состоит из темных первичных зерен - твердого раствора кадмия в цинке и эвтектики в виде темных включений -фазы на светлом поле -твердого раствора цинка в кадмии (рис.8). Поскольку с понижением температуры взаимная
растворимость кадмия и цинка уменьшается, то ниже 266ОС должны выделяться вторичные твердые растворы.
Однако как самостоятельная структурная составляющая они в структуре не обнаруживаются. Травление сплава обычно производится реактивом, используемым для травления оловянно-цинковых припоев.
Кроме рассматриваемых выше, к группе мягких припоев относятся также свинцовые припои, кадмиевые, индиевые, висмутовые, галлиевые пасты.
Свинцовые припои легируются серебром, оловом, медью и никелем.
Рис.8. Схема микроструктуры сплава состава 40% кадмия и 60% цинка.
-фаза и эвтектика ( + )
Они теплостойки, имеют высокий порог хладноломкости, но относительно низкую технологичность. Используются для пайки медных и латунных деталей.
Кадмиевые припои легируются оловом и серебром. Они обладают высокой прочностью, пластичностью. Паяные с их помощью детали могут работать до температуры 200-250ОС. Недостатком является сравнительно низкая технологичность. Кадмиевые припои применяются для пайки меди и сплавов на ее основе, а также омедненной стали и алюминия.
Индиевые припои находят в последние годы широкое применение, несмотря на дефицитность индия. Легирующими элементами являются олово, серебро, цинк. Все эти сплавы низкотемпературны, поскольку индий имеет температуру плавления 156,4ОС. Применяются для пайки металлов, полупроводников, а также металлов со стеклом, керамикой.
Висмутовые припои находят ограниченное применение, так как очень хрупки и плохо смачивают поверхность большинства употребляемых металлов. Их используют только для пайки плавких предохранителей.
Галлиевые пасты представляют собой композиции галлия с порошками-наполнителями, в роли которых выступают порошки соединяемых металлов. Галлий имеет низкую температуру плавления 29,8ОС, поэтому в виде паст припои на его основе существуют при температуре 20-30ОС и с течением времени затвердевают. Температура плавления затвердевшего припоя значительно выше, чем галлия. При затвердевании происходит увеличение объема сплава, поэтому соединяемые пайкой детали рекомендуется подвергать сжатию. Паяные с помощью галлиевых паст со-
единения работают только при комнатной температуре, предел прочности при растяжении составляет 20-50 МПа.
12.2.2. Микроструктура твердых припоев
Кгруппе твердых припоев относятся серебряные припои
иприпои на его основе.
Серебряные припои широко используются для пайки меди и ее сплавов, их можно применять также для пайки никеля и сталей. Серебряные припои обладают высокой температурой плавления, достаточной прочностью и пластичностью, хорошей жидкотекучестью. Предел прочности при растяжении составляет 300-350 МПа, относительное удлинение 15-35%. Применение этих сплавов ограничивается высокой стоимостью и дефицитностью серебра.
|
Состав медно-серебряных припоев* |
Таблица 2 |
|||
|
|
||||
Марка при- |
Химический состав, % |
Температура плавления, |
|||
поя |
|
|
ОС |
|
|
|
Ag |
Cu |
солидус |
|
ликвидус |
ПСр 72 |
72 0,5 |
ост |
779 |
|
779 |
ПСр 50 |
50 0,5 |
ост |
779 |
|
850 |
* Примеси не более 0,25%
Рис.9. Диаграмма состояния системы серебро-медь
Находят использование как двойные сплавы серебра с медью, так и многокомпонентные сплавы с медью, цинком и кадмием. Для понижения температуры плавления и улучшения технологических свойств в них иногда вводят в небольших количествах фосфор и олово. Для улучшения смачивающей способности припоев системы серебро-медь в их состав вводят до 5% палладия, что повышает качество паяных соединений. Добавки лития также увеличивают смачивающую способность серебряных припоев по отношению к сталям и медным сплавам.
Состав медно-серебряных припоев представлен в табл.2. Структура этих сплавов соответствует диаграмме состояния се- ребро-медь (рис.9).
В твердом состоянии эти металлы имеют ограниченную растворимость, -фаза представляет собой ограниченный твердый раствор на основе серебра, -фаза - ограниченный твердый раствор на основе меди. При температуре 779ОС в системе протекает эвтектическая реакция.
На рис.10 показана микроструктура припоя марки ПСр50, состоящая из темных первичных зерен - фазы и эвтектики в виде темных включений -фазы на светлом поле -фазы. С понижением температуры растворимость серебра и меди в твердом состоянии уменьшается, поэтому при равновесной кристаллизации должны выделяться вторичные фазы II и II. Они находятся в поле эвтектики и внутри первичных зерен. Травление сплава производится обычно реактивом HCl+FeCl2+вода в соотношении 1:1:4.
Рис.10. Схема микроструктуры сплава марки ПСр50. -фаза и эвтектика( + ). 340
Однако при пайке из-за подавления диффузионных процессов в результате ускоренного охлаждения вторичные фазы II
и II не выделяются.
Припои тройной системы серебро-медь-цинк также обеспечивают соединения высокой прочности и пластичности. Они применяются для пайки ответственных деталей из сталей, а также меди и ее сплавов. В эти припои иногда вводят марганец для повышения теплостойкости. Такие припои используются для пайки
медных и стальных деталей, работающих при температурах до
600ОС.
Достаточно широкое применение находят также припои системы серебро-медь-цинк-кадмий. Наиболее употребительным из них является заэвтектический сплав марки ПСр40, который
имеет состав: 39-41% серебра; 16,4-17,4% меди; 16,6-17,8% цин-
ка; 25-25,5% кадмия. Температура плавления составляет 595605ОС, сплав применяется для пайки стальных и медных изделий, когда необходимо сохранить характеристики прочности закаленной стали или избежать коробления в процессе пайки. Прочность получаемых пайкой изделий очень велика.
12.3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Уясните цель работы.
Изучите принципы пайки, классификацию и характеристику припоев.
Изучите микроструктуры припоев (альбом, с.30).
Изобразите схемы микроструктур припоев.
Выполните микроструктурный анализ припоев.
Проследите за формированием структуры одного из припоев в процессе охлаждения из жидкого состояния.
Составьте отчет о работе.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Цель работы.
Принципы пайки, классификация и характеристика при-
поев.
Схемы микроструктур припоев.
Микроструктурный анализ припоев.
Схемы вероятных микроструктур в процессе охлаждения из жидкого состояния одного из припоев.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Какой способ соединения элементов конструкций называется пайкой?
Что называется припоем, основным металлом, спаем?
Какими свойствами должны обладать припои?
В чем заключается преимущество пайки перед сваркой?
Какие сплавы относятся к группе мягких припоев и где они используются?
Какие сплавы относятся к группе твердых припоев и где они используются?
Какую структуру имеют припои оловянно-свинцовые, оловянно-цинковые?
Какую структуру имеют цинкокадмиевые припои?
Какие свойства паяных соединений обеспечивают твердые припои?
Какую структуру имеют серебряные припои?
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.Гуляев А.П. Металловедение. / А.П.Гуляев. - М: Метал-
лургия, 1986. - 544 с..
2.Материаловедение / В.Н.Арзамасов, И.Н.Сидорин, Г.Ф.Косолапов и др.- М: Машиностроение, 1986. - 384 с.
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Предисловие……………………………………………………………………….. |
3 |
|
Введение…………………………………………………………………………….. |
5 |
|
Лабораторная работа №1. МАКРОСТРУКТУРНЫЙ АНА- |
|
|
ЛИЗ МЕТАЛЛОВ…………………………………………………………………….. |
7 |
|
1.1. |
Основные теоретические представления………… |
7 |
1.2. |
Практика макроструктурного анализа металлов. |
7 |
1.3. |
Методика выполнения работы………………………… |
13 |
Лабораторная работа №2. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНА- |
|
|
ЛИЗ МЕТАЛЛОВ………………………………………………………………… |
14 |
|
2.1. |
Основные теоретические представления………… |
14 |
2.2.Практика макроструктурного анализа металлов.. 15
2.3. Методика выполнения работы………………………… 24
Лабораторная работа №3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ СВИНЕЦ25 ОЛОВО………………………………………………………………………………..
3.1.Основные теоретические представления и прак-
|
тические рекомендации ……………………………… |
25 |
3.2. |
Методика выполнения работы………………………… |
27 |
Лабораторная работа №4. АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ РАВНО- |
|
|
ВЕСИЙ В ДВОЙНЫХ СИСТЕМАХ……………………………………………… |
30 |
|
4.1. |
Основные теоретические представления………… |
30 |
4.2. Анализ диаграмм состояния двойных систем…… |
34 |
|
4.3. |
Методика выполнения работы………………………… |
48 |
Лабораторная работа №5. АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ РАВНО- |
|
|
ВЕСИЙ В СИСТЕМЕ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД…………………………………… |
49 |
|
5.1. |
Основные теоретические представления………… |
49 |
5.2.Анализ диаграммы состояния железо-цементит.. 53
5.3. Методика выполнения работы………………………… |
62 |
Лабораторная работа №6. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ МЕТАЛ- |
64 |
ЛОГРАФИЯ…………………………………………………………………………….
6.1.Основные теоретические представления и прак-
тика количественной металлографии……………… |
64 |
6.2. Методика выполнения работы………………………… |
69 |
Лабораторная работа №7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДА |
|
РЕШЕТКИ РЕНТГЕНОВСКИМ МЕТОДОМ…………………………………… |
70 |
7.1. Основные теоретические представления и прак- |
70 |
тика определения периода кристалич. решетки.. |
|
7.2. |
Методика выполнения работы………………………… |
75 |
Лабораторная работа №8. МИКРОСТРУКТУРА УГЛЕРО- |
|
|
ДИСТОЙ СТАЛИ В ОТОЖЖЕННОМ СОСТОЯНИИ……………………… |
77 |
|
8.1. |
Основные теоретические представления………… |
77 |
8.2.Микроструктурный анализ углеродистой стали в
|
отожженном состоянии…………………………………… |
79 |
8.3. |
Методика выполнения работы………………………… |
82 |
Лабораторная работа №9. МИКРОСТРУКТУРА ЧУГУНА… |
83 |
|
9.1. |
Основные теоретические представления………… |
83 |
9.2.Микроструктурный анализ чугуна…………………….. 88
9.3. |
Методика выполнения работы………………………… |
92 |
Лабораторная работа №10. МИКРОСТРУКТУРА ЛЕГИРО- |
|
|
ВАННОЙ СТАЛИ……………………………………………………………………. |
94 |
|
10.1. |
Основные теоретические представления………… |
94 |
10.2.Микроструктурный анализ легированных сталей. 97
10.3. |
Методика выполнения работы………………………… |
104 |
Лабораторная работа №11. МИКРОСТРУКТУРА ЦВЕТ- |
106 |
|
НЫХ СПЛАВОВ…………………………………………………………………….. |
|
|
11.1. |
Основные теоретические представления………… |
106 |
11.2. |
Микроструктурный анализ цветных сплавов…… |
108 |
11.3.Методика выполнения работы……………………….. 116
Лабораторная работа №12. МИКРОСТРУКТУРА ПРИПО118 ЕВ………………………………………………………………………………………….
12.1.Основные теоретические представления………….. 118
12.2.Микроструктурный анализ припоев…………..…….. 119
12.3.Методика выполнения работы……………………….. 127