Резчик Н.В.

Днепропетровский государственный аграрный университет

Исследование паяных соединений бронзы с нержавеющей сталью

Изучали структуру и свойства биметаллических изделий сложной формы сочетания «хромистая бронза типа БрХ-нержавеющая сталь 12Х18Н10Т», полученных диффузионной пайкой. Предварительно на контактные поверхности наносили: на нержавеющую сталь – барьерный слой никеля, на бронзу – гальванические или термовакуумные покрытия медь – серебро и медь – марганец. Нагрев до температуры пайки, выдержку и охлаждение осуществляли под давлением защитного газа (10 МПа).

В диффузионной зоне образцов, паяных серебром, наблюдали участки с эвтектикой Ag – Cu, которая располагается в паяном шве со стороны бронзы.

Изучение колонии при больших увеличениях выявило преимущественно сотовое строение последней. Известно [1], что базовой фазой эвтектики Ag – Cu является медь. Однако микрорентгеноспектральное исследование, выполненное на приборе «Camebax», показало, что в наблюдаемом нами случае ведущей матричной фазой является серебро. Возможно, это связано с влиянием высоких давлений на процесс эвтектической кристаллизации.

Параллельно исследовали образцы после пайки под давлением 0,5 МПа. Понижение давления при пайке сопровождается значительным увеличением количества эвтектики, которая, располагаясь по границам зерен бронзы, «проникает» в последнюю на довольно большую глубину. Это может отрицательно сказаться на прочности паяного шва. Следовательно, предпочтительным является применение повышенного давления, способствующего уменьшению зазора между соединяемыми деталями, равномерному распределению припоя, уменьшению количества жидкой фазы в шве.

Результаты металлографического и микрорентгеноспектрального анализа показали, что при пайке серебром, кроме образования эвтектических колоний в зоне спая, возможно формирование как однородного (рис. 1, а), так и неоднородного (рис.1, б) (появление характерных пиков Ag и Cu на кривых распределения) твердых растворов. Распределение остальных элементов (Cr, Ti, Ni, Fe) аналогично наблюдаемому ранее.

Проводили исследование изменения микротвердости по глубине диффузионной зоны. Установлено, что как при пайке серебром, так и прн пайке марганцем имеет место монотонное увеличение микротвердости от бронзы к нержавеющей стали. Это косвенно указывает на отсутствие значительных колебаний уровня остаточных напряжений по глубине диффузионной зоны, что связано, по-видимому, с близостью коэффициентов линейного расширения бронзы (16,5·10^-6 град^-1) и нержавеющей стали (14,9·10^-6 град^-1)[2].Следовательно, причины возможного разрушения паяных соединений (в частности, образования трещин) – в формировании различного рода структурной неоднородности, вторых фаз, эвтектики и т.п.

Проведено электронномикроскопическое исследование образцов, паяных марганцем (марганцевое покрытие нанесено термовакуумным напылением). Особое внимание было уделено изучению гетерогенных неметаллических включений, располагающихся в диффузионной зоне со стороны бронзы. В режиме микродифракции на приборе ЭМ-200 при ускоряющем напряжении 150 кВ исследовали углеродные реплики с экстракцией, напыленные в зоне паяного шва с целью идентификации наблюдаемых включений. Расшифровку электронограмм проводили по стандартной методике [3]. На точечных электронограммах найдены геометрически правильные сетки рефлексов, которые являются следами пучков, дифрагированных на одном и том же кристалле или на группе одинаково ориентированных кристаллов. Полученные путем расчета электронограмм межплоскостные расстояния позволяют предположить, что исследуемые включения по своим кристаллографическим параметрам близки к закиси-окиси марганца Mn₃O₄(MnO·Mn₂O₃). Кроме того, расшифровка 12 электронограмм, снятых при различных сечениях обратной

решетки, показала наличие трех следующих фаз:

а

б

Рис.1. Распределение элементов в зоне однородного (а) и неоднородного (б) твердых растворов при пайке серебром (I- нержавеющая сталь, II- бронза).

1) хромовой шпинели – Cr₂O₃·FeO

2) хромовоалюминиевой шпинели – FeO(Cr,Al)·2O₃

3) хромовоалюминиевой шпинели – (Fe,Mn)O(Cr·Al)·2O₃

Указанные включения могли образоваться в процессе диффузионного взаимодействия и перераспределения элементов при пайке.

Необходимо отметить, что строчечные неметаличские включения наблюдали и в диффузионной зоне образцов, паяных гальваническим марганцем. Только в этом случае их меньше и они значительно мельче (1 мкм и менее), с чем связаны большие трудности идентификации этих включений как методами рентгеноструктурного анализа, так и методами рентгеноспектрального анализа. Можно предположить, что природа этих включений такая же, как в описанном выше случае.

Проведен сравнительный металлографический анализ образцов после пайки по различным режимам. Переменными параметрами являлись: скорость нагрева под пайку, скорость охлаждения, температура пайки. Кроме того, изучали образцы о изделий, подвергавшихся повторной пайке при низком (0,5 МПа0 давлении.

На образцах от изделия, подвергнутого повторной пайке, в диффузионной зоне отмечены несплошности, форма и расположение которых наводят на мысль о том, что последние образовались на месте включений эвтектики Ag-Cu, сформировавшейся при первой пайке. Значительный рост зерна бронзы может бать связан с увеличением времени пребывания в области високих температур в течение двух циклов пайки.

Сравнивали микроструктуры образцов, паяных при одинаковом давлении, но охлажденных с различной скоростью: с печью до комнатной температуры и на воздухе от температуры 600⁰С.

В обоих случаях наблюдали несплошности, характер которых различен. Если в образце, претерпевшем охлаждение под давлением до нормальной температуры, несплошности имеют строчечный характер, то в образце, охлаждающемся от 600⁰С на воздухе, несплошности имеют вид пор, окружающих эвтектические колонии, и, по-видимому, возникших в результате диффузионных процессов, протекавших в паяном шве.

Выяснение особенностей формирования паяного шва, а значит, определение факторов, целенаправленно влияющих на морфологию структуры и предотвращающих разрушение соединения в процессе пайки и на последующих переделах, позволяет изучить влияние каждого технологического параметра в широком диапазоне значений, определить условия, обеспечивающие требуемую прочность и плотность соединения.

Литература:

1. Таран Ю.Н., Мазур В.И. Структура эвтектических сплавов. – М.: Металлургия, 1978. – 312 с.

2. Петрунин И.Е., Маркова И.Ю., Екатова А.С. Металловедение пайки. – М.: Металлургия, 1976. – 264 с.

3. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. – М.: Металлургия, 1970. – 368 с.