HomeОбработка сталиМеханическая обработка › Металлургические особенности металлов и сплавов

Металлургические особенности металлов и сплавов

Металлургические особенности металлов и сплавовВсе металлы и сплавы можно паять, если применять надлежащий способ пайки. Некоторые металлы и сплавы имеют свои металлургические особенности, требующие применения специальных процессов для получения паяных соединений удовлетворительного качества.

Ниже вкратце описаны некоторые металлургические явления, наблюдающиеся в процессе пайки. Водородная хрупкость. Водород имеет способность очень быстро диффундировать в кристаллическую решетку многих металлов вследствие того, что его атомы малы. При повышении температуры скорость диффузии возрастает. При диффузии водорода в металл, который не полностью раскислен (содержит кислород), может происходить восстановление окислов, если температура достаточно высока. Конечным продуктом этой реакции являются металлическая губка и водяной пар.

Так как размер молекул паров воды слишком велик, то диффузия их в поверхность металла, подобно диффузии водорода, произойти не может. Вследствие этого внутри металла развивается давление, которое для вязкой медной сердцевины составляет 63 кг/мм2. Это чрезвычайно высокое давление буквально разрывает металл с образованием большого количества маленьких трещин или раковин, главным образом по границам зерен, что приводит к резкому снижению прочностных характеристик металла.

Электролитическая вязкая медь, серебро и палладий при наличии в них кислорода подвергаются водородному охрупчиванию, если их нагревать в присутствии водорода. Следовательно, чтобы спаять вязкую медь без охрупчивания, атмосфера, в которой происходит нагрев, не должна содержать водорода. Поэтому для деталей, выполняемых пайкой, хорошо применять раскисленную или бескислородную медь. Бескислородная медь может окисляться и подвергаться водородному охрупчиванию в том случае, когда применяется неправильный режим нагрева. Практически медь, обладающую водородной хрупкостью, невозможно восстановить до нормального состояния.

Стали также подвергаются водородному охрупчиванию, но другим путем. Водород диффундирует в сталь так же, как и в медь, но он имеет тенденцию скапливаться в небольших пустотах, которые образуются вокруг неметаллических включений и по границам зерен. При этом не образуются водяные пары, как в меди, но иногда развивается высокое давление, так как водород диффундирует в форме атомов, которые при взаимодействии в металле превращаются в молекулы, имеющие меньшую подвижность и создающие по мере накопления определенное давление.

Сталь, подвергшаяся водородному охрупчиванию, имеет низкую вязкость. Однако механические свойства такой стали и содержащих железо сплавов можно восстановить, если заставить водород диффундировать наружу при длительном нагреве стали в печи только до температур 8G—100° или, если хранить сталь долгое время до восстановления вязкости.

К счастью, большинство других металлов и сплавов, окислы которых можно восстановить при помощи водорода, содержат в себе избыток раскисляющих элементов и не подвергаются водородному охрупчиванию.

Выделение карбидов. Некоторые нержавеющие стали и другие сплавы, содержащие хром и углерод, способны образовать и выделять карбиды при нагреве до температуры 480—700°. Выделение карбидов происходит вследствие того, что углерод реагирует предпочтительно с хромом с образованием карбидов, которые обычно отлагаются по границам зерен.

 

Образование карбидов приводит к уменьшению в сплаве количества хрома, поэтому материал, непосредственно примыкающий к частицам карбида, имеет значительно худшую коррозионную стойкость, чем первоначальный сплав. В соответствующих коррозионных средах механические свойства такого сплава могут понижаться с образованием малого или незаметного очага коррозии.

Выделившиеся карбиды могут снова раствориться в сплаве при нагреве до 1000—1130° и последующем быстром охлаждении. Однако эта термообработка не является пригодной для паяных узлов.

{PAGEBREAK}
Другой стабилизирующей термообработкой, при которой невы-делившиеся хромовые образования разгоняются (диспергируются) по всему объему, является нагрев до 870° в течение 2 час, затем охлаждение в печи до 540° и последующее охлаждение на воздухе.

При быстром процессе пайки в нержавеющих сталях нормального типа выделяется очень незначительное количество карбидов. В тех случаях, когда быстрый нагрев невозможен, а паяные соединения из нержавеющей стали должны работать в условиях коррозии, следует применять одну из стабильных сталей, таких, как 347 или 321 *.
Растрескивание под напряжением. Многие высокопрочные материалы, например нержавеющая сталь, никелевые и медноникелевые сплавы, имеют тенденцию растрескиваться во время пайки, если они находятся в напряженном состоянии и в контакте с жидким припоем.

 

Материалы с высокой температурой отжига, и в особенности те, которые подвергаются старению, также имеют указанную тенденцию к растрескиванию под нагрузкой. Растрескивание возникает почти мгновенно в процессе пайки и трещина хорошо видна до тех пор, пока расплавленный припой не войдет в нее и полностью не заполнит ее *.
Этот процесс можно рассматривать как коррозионное растрескивание под напряжением, если расплавленный припой считать коррозионной средой.

 

Сталь, находящаяся в напряженном состоянии и помещенная в каустический раствор, или находящаяся под напряжением латунь, помещенная в раствор аммиака, могут служить-примером коррозионного растрескивания. Напряжения, вызывающие растрескивание, могут возникать при неправильном охлаждении деталей после термообработки до пайки, или при механическом или термическом нагружении деталей в процессе пайки.

Причину возникшего растрескивания под напряжением можно» обычно установить путем критического анализа процесса пайки. Принимают все меры к устранению источника, вызывающего напряжения в детали во время пайки.

Растрескивание под напряжением можно устранить:
а) применением для пайки отожженного материала вместо закаленного;
б) отжигом механически обработанных деталей перед пайкой;
в) удалением источников, вызывающих внутренние напряжения в паяемом изделии, таких как неправильная сборка деталей, приспособления, которые оказывают давление на детали, или незакрепленные висящие детали;
г) переконструированием соединения или деталей;
д) нагревом с меньшей скоростью. Массивные детали нужно-нагревать настолько быстро, чтобы термические напряжения в них не возникали;
е) нагревом собранных и профлюсованных деталей горелкой до-достаточно высокой температуры для снижения имеющихся напряжений с последующим охлаждением деталей до температуры пайки и присаживанием припоя вручную;
ж) выбором припоев, не вызывающих хрупкие разрушения металлов в процессе пайки.

Сернистая хрупкость. Никель и другие сплавы, в состав которых входит большое количество никеля, при нагреве в присутствии серы или компонентов с содержанием серы становятся хрупкими. Это вызывается образованием легкоплавкого сульфида никеля, который располагается преимущественно по границам зерен и, будучи хрупким, растрескивается под действием приложенных нагрузок. Материал, обладающий, сернистой хрупкостью, непригоден для применения и восстановлению не поддается.
Добавка хрома к никелю и медноникелевым сплавам уменьшает их склонность к охрупчиванию.

 

При пайке особенно важно, чтобы сплавы, в которых основным элементом является никель, были бы перед нагревом очищены от веществ, содержащих серу, таких, как нефть, смазка, краска, меловые пометки и охлаждающие жидкости. Нагрев никелевых и медноникелевых сплавов нужно производить в атмосфере, свободной от сернистых примесей.

Давление испарения. Особое внимание следует уделять выбору припоев для пайки деталей, работающих в вакууме. Это условие в особенности относится к электронным трубкам большого размера, к ускорителям частиц материи и вакуумным печам. Во всех этих и аналогичных установках высокий вакуум или обеспечивает их надлежащую работу, или требуется предварительно до создания необходимой газовой атмосферы.

Любые элементы, которые при любой температуре процесса выделяют нежелательные газы или пары, портят вакуум и рано или поздно выводят установку из строя.
В табл. 1 указаны температура плавления и давление испарения при различных температурах некоторых элементов, входящих в состав припоя и основного металла. Для пайки вакуумных труб цинк и кадмий в качестве элементов припоя применять нельзя.

Устойчивость окислов металлов. Окислы, образованные на поверхности большинства металлов и сплавов, легко удаляются при применении соответствующего флюса или восстанавливаются в восстановительной атмосфере. Окислы хрома, алюминия, титана, кремния, магния,  марганца  и  бериллия удаляются труднее, поэтому сплавы с содержанием этих элементов обычно требуют специальной обработки для удаления окислов.

Окислы хрома легко удаляются флюсами с содержанием фторидов, не восстанавливаются водородом, если водородная атмосфера не очень сухая (точка росы около —60°) и восстанавливаются только при высокой температуре порядка 1090°.

Окислы алюминия, титана, кремния, магния, марганца и бериллия также удаляются специальными флюсами, но не восстанавливаются в атмосфере водорода при обычной технике пайки (см. гл. 4). Поэтому при пайке материалов, содержащих достаточное количество этих элементов, необходимо применять специальные флюсы.
Зона теплового воздействия. Нагрев, осуществляемый при пайке, оказывает влияние на свойства основного металла.
{PAGEBREAK}
Основной металл, механические качества которого получены в результате закалки, может сделаться менее твердым и более крупнозернистым, если температура пайки выше температуры его отт жига. Термически обработанные материалы после нагрева их в процессе пайки изменяют свои механические свойства. Материалы в отожженном состоянии очень незначительно изменяют свои свойства при пайке.

Зона, на которую распространяется термическое влияние при пайке, в большой степени зависит от применяемого способа нагрева. При пайке горелкой, индукционным методом или путем погружения образуется некоторая зона теплового влияния. При пайке в печи нагреву подвергается материал всей паяемой детали. В основном зона термического влияния при пайке шире и имеет менее отчетливую границу, чем при любом процессе сварки.

Термообработка после пайки. Часто желательна производить термообработку спаянного узла для улучшения механических свойств основного материала. Для черных сплавов это осуществляется путем закалки с повышенных температур с последующим отпуском при более низкой температуре. Для других сплавов, таких, как меднобериллиевый сплав, дураникель, К монель, инконель X и нержавеющая сталь 17-7РН (сталь СН-2), термообработка заключается в нагреве до средних температур с последующим регулируемым охлаждением.

 

Когда металл подвергают пайке с последующей термообработкой, то важно, чтобы применяемый припой образовал достаточно прочное паяное соединение, которое не могло бы разрушиться при перемещении деталей для термообработки.

Сплавление и диффузия. Соединение между припоем и основным металлом в процессе пайки происходит путем сплавления или диффузии. Обычно такое сплавление является поверхностным эффектом и распространяется вглубь соединяемых поверхностей на несколько тысячных долей миллиметра. Однако в некоторых случаях сплавление и диффузия происходят на большую глубину, что требует применения специальных способов пайки.

При пайке в печи медь очень легко сплавляется с никелем, мо-нелем и медноникелевыми сплавами. В этом случае расплавленная медь не растекается на большую площадь, так как сплавление основного металла с медью повышает температуру плавления образовавшегося сплава, что приостанавливает его растекание.
Некоторые припои, например на основе алюминия и магния, сплавляются и диффундируют полностью через тонкий алюминиевый лист, если он находится при температуре пайки дольше, чем это необходимо. При такой чрезмерной диффузии паяное соединение не будет прочным и пластичным.

Излишний жидкий припой, который растекается под действием силы тяжести по тонким элементам паяемых изделий, может образовать раковины в таких элементах в процессе диффузии и сплавления с основным металлом.

Пайка золота при производстве ювелирных изделий производится очень быстро, чтобы припой не диффундировал в золото и не вызывал его обесцвечивания и образования пятен. В случае чрезмерной диффузии и сплавления необходимо производить пайку за наиболее короткое время и при наиболее низкой температуре, насколько это возможно. Припой нужно применять и количестве, достаточном для заполнения соединительного зазора полностью. Излишнее количество припоя нежелательно и неэкономично.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.