Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный Исследовательский Ядерный Университет «МИФИ»

Физико-технический факультет

Кафедра «Физические проблемы материаловедения»

Реферат

Возможности металлографического исследования паяных соединений, полученных с использованием аморфных припоев

Магистрант Гусева Е.В.

группа М01-09

металлография пайка соединение физический процесс

Москва 2012

Содержание

1. Общие сведения о металлографии

1.1 Металлографические исследования

1.2 Оборудование для металлографических исследований

1.3 Металлографический анализ

2. Пайка

2.1 Классическое представление о пайке

2.2 Классификация способов пайки

2.3 Физико-химические процессы пайки

2.4 Общая классификация припоев

3. Металлографические исследования паяных соединений

Список литературы

1. Общие сведения о металлографии

Металлография - наука о структуре металлов и сплавов, исследует закономерности образования структуры металла, изучает его макроструктуру и микроструктуру, атомно-кристаллическое строение, влияние структуры на механические, электрические, магнитные и другие свойства [2].

Макроструктуру металлов и сплавов в металлографии наблюдают невооружённым глазом либо при небольшом увеличении (в 30-40 раз). Макроструктура характеризуется формой и расположением крупных кристаллитов (зёрен), наличием и расположением различных дефектов металлов, распределением примесей и неметаллических включений [1].

Исследования микроструктуры в металлографии производят с помощью светового или электронного микроскопов, с помощью дифрактометра.

1.1 Металлографические исследования

Металлографические исследования - это комплекс испытаний и аналитических мероприятий, направленный на изучение макроструктуры и микроструктуры металлов, исследование закономерностей образования структуры и зависимостей влияния структуры на механические, электрические и другие свойства металла (сплава) [2].

При металлографическом исследовании выполняется ряд операций, в результате которых получают достоверные данные по качественному и количественному составу материала. Любое металлографическое исследование включает в себя четыре этапа:

1. Пробоотбор;

2. Пробоподготовка;

3. Металлографический анализ;

4. Статистическая обработка результатов анализа.

Общая погрешность результатов металлографического исследования равна сумме погрешностей на каждом из вышеназванных этапов, и, конечно же, при выполнении металлографического исследования необходимо стремиться к получению результата с минимальной погрешностью.

Помимо комплекса мероприятий пробоподготовки для оптических исследований, в металлографическое исследование обязательно входит процедура распознавания и анализа структуры с помощью микроскопии. Очевидно, что наиболее характерным видом металлографического исследования является выявление микроструктуры металлов, затем анализ микроструктуры металлов (сплавов), а также анализ макроструктуры.

1.2 Оборудование для металлографических исследований

Оборудование для металлографических исследований:

· Отрезные станки;

· Прессы для запрессовки;

· Оборудование для холодной заливки;

· Шлифовально-полировальные станки;

· Сушильные шкафы;

· Микроскопы в комплексе с системами анализа изображений;

· Твердомеры и микротвердомеры;

· Печи, ванны, закалочные баки для термообработки.

1.3 Металлографический анализ

Металлографический анализ - это анализ структурообразования металлов и сплавов, то же, что и металлографическое исследование. Несмотря на то, что металлографический анализ и металлографическое исследование это синонимические понятия, во второе определение принято вкладывать более широкий смысл [2].

Понятие "металлографический анализ" трактуют, как метод изучения микро- и макроструктуры металлов и сплавов с помощью визуального наблюдения при различном увеличении. То есть металлографический анализ это комплекс именно оптических исследований металлов и сплавов.

Основным инструментом металлографического анализа является металлографический микроскоп. В настоящее время существует большой выбор специализированных металлографических микроскопов, ориентированных на те или иные производственные условия. Кроме того, получили широкое распространение полуавтоматические системы металлографического анализа изображений, включающие в себя цифровую камеру и программное обеспечение.

Рис. 1. Металлографический микроскоп МЕТАМ

2. Пайка

Пайка - образование соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, их смачивания припоем, затеканием припоя в зазор и последующей его кристаллизации [3].

2.1 Классическое представление о пайке

Пайка представляет собой физико-химический процесс получения соединений в результате взаимодействия твердого паяемого материала и жидкого расплава припоя. Основной отличительной особенностью пайки от сварки является то, что при пайке не происходит оплавления основного материала, как это происходит при сварке. В результате процесса получения паяного соединения не происходит изменения геометрии изделия, что делает тем самым пайку в ряде случаев более рациональной, чем сварку [4,5]. Другая важная особенность пайки заключается в возможности соединять несовместимые для сварки металлические и неметаллические материалы. Паяные изделия могут изготавливаться с заданной точностью, причем пайка может протекать при благоприятных для соединяемых материалов температурах при совмещении с термической обработкой. В результате паяные изделия характеризуются высокими показателями надежности и долговечности. Так например, при применении рациональных сочетаний паяемых материалов, припоев, технологических режимов пайки, оптимальной площади перекрытия надежность паяных соединений оказывается выше, чем сварных, в четыре раза для самолетов и в 20 раз - для космических аппаратов [4].

В зарубежной и отечественной литературе различают низкотемпературную (температура пайки ниже 450 єС) и высокотемпературную (температура пайки выше 450 оС) - “soldering” и “brazing” соответственно.

2.2 Классификация способов пайки

В соответствии с [7], пайку классифицируют по следующим независимым признакам:

· удалению оксидной пленки;

· источнику нагрева;

· получению припоя;

· заполнению зазора припоем;

· наличию давления на паяемые детали;

· кристаллизации паяного шва;

· одновременности выполнения паяных соединений.

2.3 Физико-химические процессы пайки

Пайка, как никакой другой технологический процесс, связана с широким комплексом физико-химических явлений, протекающих в твердой, жидкой и газовой фазах: восстановление и диссоциация, испарение и возгонка, смачивание и капиллярное течение, диффузия и растворение, пластифицирование и адсорбционное понижение прочности и т.д [5]. Основными факторами, определяющими характер взаимодействия твердого и жидкого металлов при образовании спаев, являются электронное строение их атомов, соотношение атомных радиусов, положение элементов в ряду электроотрицательности, валентность и потенциалы ионизации атомов [5].

Качество паяного шва во многом зависит от прочности связи припоя с металлом основы. Смачивание твердой металлической поверхности припоем свидетельствует о том, что между атомами припоя и атомами металлической основы возникает межатомная связь. Эта связь является результатом четырех процессов [8]:

- растворения металла основы в расплавленном припое с образованием жидкого раствора, распадающегося при последующей кристаллизации;

- диффузии составляющих припой элементов в твердый металл основы с образованием твердого раствора;

- реактивной диффузии между припоем и металлом основы с образованием на границе интерметаллических соединений;

- бездифузионной связи.

2.4 Общая классификация припоев

Припой - материал для пайки и лужения с температурой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов. Как уже отмечалось выше, для пайки может использоваться либо готовый припой, либо припой, образующийся в процессе пайки. Наиболее широкое применение нашли готовые припои. Готовые припои классифицируют по следующим признакам: по величине их температурного интервала расплавления, степени расплавления при пайке, основному или наиболее дефицитному компоненту, способности к самофлюсованию, способу изготовления и виду полуфабрикатов [5].

Припои классифицируют:

- по химическому составу - медные, серебряные, золотые, палладиевые, платиновые, железные, марганцевые, оловянносвинцовые, индиевые, цинковые, висмутовые, галлиевые, титановые и др.;

- по технологическим свойствам: самофлюсующие - способствующие удалению припоем окислов с паяемой поверхности, и композиционные - состоящие из смеси тугоплавких и легкоплавких порошков, позволяющих производить пайку узлов с большими зазорами;

- по содержанию активных компонентов(титана, циркония и др.), повышающих смачиваемость припоем окисленных поверхностей паяемых материалов;

- по температуре плавления, поскольку важнейшей характеристикой припоя является температура начала и конца плавления (температура солидуса и ликвидуса). По температуре ликвидуса припои разделяют на пять классов: особолегкоплавкие (Тликв.145С), легкоплавкие (145<Тликв.450С), среднеплавкие (450<Тликв. 1100С), высокоплавкие (1100< Тликв.1850С) и тугоплавкие (Тликв.>1850С). К низкотемпературным припоям относятся припои с Тпл < 450°С, к высокотемпературным - с Тпл > 450°С. Низкотемпературные припои выплавляют на основе олова, свинца, висмута, кадмия, цинка, индия, галлия. Высокотемпературные припои в основе имеют медь, серебро,никель, кобальт, железо, алюминий и др;

- по сортаменту - пластичные припои изготавливают прокаткой или волочением в виде ленты, фольги, проволоки, полос; хрупкие припои изготавливают специальными технологиями в виде аморфизированных или мелкокристаллических лент, фольги, проволоки, прутков, а также традиционным литьем. Хрупкие припои могут поставляться в виде порошка, порошковых лент на органической связке, паяльных паст [5].

Число различных припоев, разработанных к настоящему времени, весьма велико и продолжает непрерывно увеличиваться, что обусловлено повышением требований, предъявляемых к механическим и служебным свойствам паяных соединений.

Быстрозакаленные припои. Последнее время широкое применение нашли аморфные и микрокристаллические ленточные припои (толщиной 20 - 80 мкм), полученные сверхбыстрой закалкой из жидкого металлического расплава со скоростью 104-106 град./c. Из-за уникальности свойств, такие припои используют при пайки меди и медных сплавов, никеля и его сплавов, коррозионно-стойких сталей, титана и его сплавов, циркония, бериллия, тугоплавких металлов, твердых сплавов, оксидной керамики, графита и др [9].

Припои обладающие повышенной твердостью и малой величиной пластичности как правило применяют в виде порошков или паст, что как правило приводит к образованию в паяных швах различных дефектов: непропаев, пор и др. Однако, припои того же химического состава, полученные сверхбыстрой закалкой в виде гибких лент позволяют легко вырезать или выштамповывать из них заготовки нужной формы для пайки изделий с трудной геометрией. Такие припои обладоют определенным комплексом свойств, среди которых:

- регулируя технологические параметры процесса сверхбыстрой закалки, можно строго фиксировать толщину и ширину лент, тем самым обеспечивать оптимальное количество припоя в зазоре при пайке, что дает возможность снизить химическую эрозию основного металла, позволяет осуществлять пайку тонкостенных материалов, обеспечивает меньшее количество непропаев, пор, заплавления малых отверстий и др.;

- высокая химическая и фазовая однородность определяют более узкие температурные интервалы плавления и кристаллизации, равномерное плавление припоя по всему объему, формирование при затвердевании непрерывного и однородного по структуре паяного шва;

- повышенная адгезионная, капиллярная и диффузионная активность приводят к лучшему смачиванию, затеканию в зазор, более быстрой диффузии легирующих элементов припоя в основной металл;

- возможность широкого варьирования состава припоев обеспечивает самофлюсуемость, за счет возможности легирования припоя активными элементами, например, Mn, Ti, Zr, P и др., выбор состава припоя и режима пайки, наиболее полно отвечающих требованиям последующей эксплуатации паяного соединения.

3. Металлографические исследования паяных соединений

Отбор проб для микроисследования паяных соединений с помощью светового микроскопа производится с учетом наиболее полного отражения исследуемого свойства паяного соединения в одном образце, трудоемкости и удобства проведения металлографических исследований [6].

Приготовление микрошлифов. Образец для микроисследования паяного соединения обычно имеет высоту 10 - 20 мм и площадь поверхности, подвергаемой исследованию, до 3 см2.

Вырезать образцы из паяного соединения допускается только металлорежущим оборудованием, не вызывающим деформирования зоны шва и изменения структуры в результате нагрева. При вырезке образцов из паяных соединений листовых конструкций толщиной менее 1-2 мм их предварительно закрепляют в оборудовании совместно с придающими жесткость конструкции подкладками и обрабатывают их совместно[6].

Изучение структуры металла в металлографии проводят на специально подготовленных плоских и гладких поверхностях - шлифах. Для приготовления микрошлифа образец, вырезанный из паяного соединения, часто монтируют в специальные зажимы. При исследовании образцов малых размеров их помещают в формы (отрезанные от трубки кольца) и заливают серой или легкоплавкими сплавами металлов (рис. 2). Приготовление шлифа заключается в шлифовке и последующей полировке металла. Однако такое закрепление нежелательно так как загрязняется микрошлиф, качество которого принципиально важно для определения микротвердости, количественной оценки интерметаллидных включений, а так же дефектов пайки, поэтому целесообразно в этом случае заливать образцы пластмассой.

Рис. 2. Микрошлифы паяных соединений, залитые сплавом Вуда

Рис. 3. Микроструктура паяного шва

Следующим этапом металлографического процесса является выявление структуры. Чаще всего это химическое травление. При этом поверхность шлифа подвергают воздействию специального реактива, в результате чего выявляются особенности химического и фазового состава и кристаллического строения (макроструктура и микроструктура) - границы зерен, различные фазы, в частности наиболее типичные дефекты паяных соединений - поры, раковины, шлаковые и флюсовые включения, непропаи и трещины. Для выявления структуры в также используют электролитическое травление и метод магнитной металлографии. Кроме того практикуется следующие способы выявления микроструктуры: тепловое травление, травление в расплавленных солях, катодное распыление, выявление микроструктуры по изменению объема.

Рис. 4. Переходы в структуре паяного соединения металл - керамика (вверху окись алюминия, затем зона пайки, а внизу ниобий).

Рис. 5. Пайка КНБ-твёрдый сплав, припой СТЕМЕТ 1216

Список литературы

1. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - УДК669.0(075.8).

2. Большой энциклопедический словарь. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - 1456 с.: ил.. ISBN 5-85270-305-2.

3. Пайка и лужение. Основные термины и определения. ГОСТ 17325-79.

4. Пайка: опыт, искусств., наука. Сборник докладов научно-технических коференций за 1967-2002 гг. в двух томах/ Сост. В.П. Фролов, В.П. Плаунов, И.Ю. Маркова, И.И. Ильина. Том 1. - М. - Издательство “Альфа-Доминанта”, 2005 (Лоцманов С.Н., Петрунин И.Е., Фролов В.П. Достижения и перспективы развития пайки (1967), стр. 11-16).

5. Петрунин И.Е., Березников Ю.И. и др. Справочник по пайке / Под ред. И.Е.

6. Карпов Ю.А. Савостин А.П. Методы пробоотбора и пробоподготовки. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. - 143 с., ил. - (Методы в химии).

7. ГОСТ 17349-79 Пайка. Классификация способов.

8. Хряпин В.Е. Справочник паяльщиков. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981. - 384 с.

9. Новые аморфные припои для пайки титана и его сплавов. Сварочное производство. 2001. №3. с. 37-39.

10. Калин Б.А., Федотов В.Т., Севрюков О.Н., Сучков А.Н. Разработка быстрозакаленных припоев для пайки вольфрама с ферритной сталью. Научная сессия МИФИ-2006. Сборник научных трудов. В 16 томах. Т. 9. М.:МИФИ, 2006. 212 с.

11. Физическое материаловедение: Учебник для ВУЗов: В 6 т. / Под общей ред. Калина Б.А. - М. МИФИ, 2008.

Размещено на Allbest.ru