Технологические свойства

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

(В.К. Афонин)

При разработке и создании различных изделий машиностроения особое внимание уделяется технологичности их конструкции.

Под технологичностью конструкции изделия понимают совокупность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, техническом обслуживании и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ (ГОСТ 14.205–83). Важная роль в обеспечении технологичности конструкций изделий принадлежит технологическим свойствам конструкционных материалов, основными из которых являются: свариваемость, паяемость, обрабатываемость давлением, литейные свойства, обрабатываемость резанием.

В данной главе представлены качественные и количественные характериcтики технологических свойств материалов, методы испытаний и контроля для их определения, даны практические рекомендации по использованию различных методов технологической обработки материалов.

СВАРИВАЕМОСТЬ

Сущность свариваемости и ее разновидности

Свариваемость — это комплексная технологическая характеристика металлических материалов, зависящая от многих факторов.

Основное общее определение свариваемости установлено ГОСТ 29273–92:

«Металлический материал считается поддающимся сварке до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, когда свариваемые детали отвечали техническим требованиям как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию, которую они образуют».

Несмотря на различное толкование свариваемости в научно-технической, учебной и справочной литературе [1, 3, 6, 9, 11, 12], за основу следует принять вышеуказанное определение свариваемости, которое соответствует международному стандарту ИСО 581–80.

Исходя из этого определения следует, что свариваемость зависит от четырех переменных: материала, технологического процесса, типа конструкции и ее функционального назначения. В зависимости от комбинации этих переменных ГОСТ 29273–92 предусматривает возможность частного определения свариваемости в каждом конкретном случае.

Эксплуатационные показатели изделий со сварной конструкцией регламентируются требованиями нормативно-технической документации. Это может быть показатель или комплекс показателей в зависимости от назначения и условий эксплуатации изделий. Если эксплуатационные показатели изделий находятся в заданных техническими требованиями пределах, то конструкционный материал поддается сварке или обладает свариваемостью. Если не обеспечивается нижний предел технических требований хотя бы по одному эксплуатационному показателю, то материал не поддается сварке, не обладает свариваемостью.

Следует отметить, что при таком комплексном подходе свариваемость одного и того же материала может быть оценена различно в зависимости от назначения изделия:

сварное соединение, полученное одним и тем же видом сварки, может быть признано в одном случае пригодным, а в другом — непригодным для эксплуатации;

конструкционный материал, не способный к образованию сварного соединения одним видом сварки, можно сваривать другим;

конструкция сварного соединения и расположение его на изделии выбраны таким образом, что образование сварного соединения исключено, в результате чего данный материал или вид сварки может быть признан непригодным.

Учитывая, что стандартное определение свариваемости носит прикладной характер и отражает функциональное назначение изделий со сварной конструкцией в условиях эксплуатации, целесообразно ввести в употребление новый термин — функциональная свариваемость, по аналогии с функциональной взаимозаменяемостью. Как известно, функциональная взаимозаменяемость находит широкое применение в машиностроении и предусматривает взаимозаменяемость изделий с сохранением их заданных эксплуатационных показателей в необходимых пределах и в течение заданного времени [4].

Определение функциональной свариваемости практически полностью совпадает по сути с определением свариваемости по ГОСТ 29273–92 — функциональная свариваемость — свойство металлов и сплавов образовывать при соответствующей технологии сварки соединения с металлической целостностью, отвечающие требованиям нормативно-технической документации на эксплуатационные показатели конкретного изделия со сварной конструкцией.

Под конкретным изделием следует понимать изделие с заданными эксплуатационными показателями, функциональным назначением, типом конструкции, условиями эксплуатации. Металлическая целостность сварных соединений предусматривает отсутствие в них горячих и холодных трещин, пор и других дефектов сварки, нарушающих эту целостность.

В современной сварочной терминологии различают физическую свариваемость и технологическую свариваемость.

Физическая свариваемость определяется физико-химическими свойствами соединяемых металлов и характеризует принципиальную возможность получения сварных соединений, в основном, из разнородных металлов [8].

Физическая свариваемость является необходимым условием существования функциональной свариваемости.

С физико-химической точки зрения, наилучшей свариваемостью обладают чистые металлы и сплавы, компоненты которых обладают неограниченной взаимной растворимостью, как в жидком, так и в твердом состоянии, то есть образующих непрерывный ряд жидких и твердых растворов. Практически не поддаются сварке плавлением металлы и сплавы, которые не могут взаимно растворяться в жидком состоянии, например, железо и магний, свинец и медь, железо и свинец и др. При расплавлении таких пар металлов образуются несмешивающиеся слои, которые при последующем охлаждении кристаллизуются самостоятельно, а после затвердевания могут быть сравнительно легко отделены друг от друга.

Характер взаимодействия компонентов в твердом и жидком состояниях определяют обычно по равновесным диаграммам состояния. Однако, надо иметь в виду, что построение равновесных диаграмм состояния предусматривает чрезвычайно замедленные нагрев и охлаждение, протекающие иногда в течение сотни часов. Действительные условия процесса сварки существенно отличаются от равновесных, поэтому определение свариваемости по диаграммам состояния отражает лишь принципиальную возможность получения сварного соединения.

На основании анализа более 200 бинарных диаграмм состояния для 23 широко известных конструкционных металлов в работе [8] составлен прогноз физической свариваемости различных металлов между собой (рис. 4.1). Этот прогноз может быть использован для выбора пар металлов, обладающих физической свариваемостью, а также для выбора легирующих элементов для сплавов.

Физическую свариваемость разнородных металлов можно также прогнозировать по значениям их атомных радиусов и электроотрицательности. Взаимная растворимость элементов определяется подобием кристаллических решеток растворителя и растворяемого компонента, разницей в атомных радиусах компонентов и значениях электроотрицательности.

Для определения пределов растворимости строят диаграммы растворимости в координатах «атомный радиус элемента — электроотрицательность» [8]. На этих диаграммах строят два вспомогательных эллипса: внутренний — с большой осью размером ± 0,2 единицы электроотрицательности и малой осью размером ± 8 % разницы в атомных радиусах и внешний — с большой осью ± 0,4 единицы электроотрицательности и малой осью ± 15 % разницы в атомных радиусах (рис. 4.2). В пределах малого эллипса находятся металлы, образующие неограниченные твердые растворы с данным металлом-растворителем. Между малым и большим эллипсами располагаются металлы с ограниченной растворимостью в металле-матрице. За пределами большого эллипса валентный и размерный факторы неблагоприятны для образования твердых растворов, т. е. для образования сварного соединения.

Рис. 4.1. Прогноз возможности сварки разнородных металлов по диаграммам состояния:
X — свариваемые пары, образующие интерметаллические соединения; S — хорошо свариваемые пары,
образующие твердые растворы; C — поддающиеся сварке пары, отличающиеся образованием сложной
микроструктуры; D — данных недостаточно, для сварки необходимы особые меры; N — сведения отсутствуют

Исключение из описанной полуэмпирической теории растворимости составляют системы тугоплавких металлов: вольфрам—хром, ванадий—хром и другие, в которых может наблюдаться образование промежуточных фаз, хотя их кристаллические решетки подобны, а их электроотрицательность благоприятна для образования твердых растворов.

Физическая свариваемость является необходимым, но недостаточным условием существования функциональной свариваемости. Например, в период промышленного внедрения титановых сплавов, обладающих физической свариваемостью между собой, возникли проблемы технологического обеспечения функциональной свариваемости, связанные с образованием при сварке в поверхностных слоях газонасыщенного (альфированного) слоя.

Достаточным условием для обеспечения функциональной свариваемости является технологическая свариваемость.

Технологическая свариваемость — это комплексная характеристика металлов и сплавов, отражающая их реакцию на процесс сварки и определяющая относительную техническую пригодность материалов для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям их последующей эксплуатации [6, 10]. Понятие технологической свариваемости часто используют на практике при сравнительной оценке существующих и разработке новых материалов без их прямой привязки к конкретному виду сварных изделий. Чем больше применимых к данному металлу видов сварки и шире для каждого вида сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения сварных соединений требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость.

Рис. 4.2. Влияние атомного радиуса и электроотрицательности на растворимость различных легирующих
элементов в твердом состоянии в железе (а) и в ниобии (б)

Как правило, известная технологическая свариваемость различных материалов является банком данных для функциональной свариваемости. На основании анализа технологической свариваемости выбранного конструкционного материала выбирают необходимые данные для обеспечения функциональной свариваемости: вид и режимы сварки, сварочные расходуемые материалы и др.

Технологическая свариваемость зависит от различных взаимосвязанных факторов. Их можно разбить на три группы: фактор материала, конструктивный фактор и технологический фактор.

Фактор материала является важнейшим среди этих групп. На технологическую свариваемость существенное влияние оказывают следующие свойства основного металла:

химический состав, который определяет температурный интервал кристаллизации; фазовый состав, а также фазовые и структурные превращения на этапах нагрева и охлаждения;

теплофизические свойства, определяющие область и степень завершенности процессов превращений, которые протекают в материале под воздействием сварочного цикла;

физико-химические свойства, которые определяют активность физико-химических реакций в сварочной ванне и зоне термического влияния;

механические свойства, которые определяют способность материала воспринимать механические воздействия (напряжения), возникающие за счет неравномерности нагрева и охлаждения, жесткости конструкций и других факторов без разрушения.

Конструктивный фактор обусловлен типом сварной конструкции. Тип конструкции определяет форму и взаимное расположение свариваемых элементов, их массу и толщину, тип сварного соединения, форму подготовки кромок под сварку, последовательность выполнения сварных соединений, жесткость сварной конструкции, напряженное состояние элементов этой конструкции перед монтажом, пространственное положение сварки и др.

Технологический фактор определяет свариваемость металлов в зависимости от вида и режима сварки, состава используемых электродов, сварочной проволоки, флюса, защитных газов, температуры окружающей среды, характера подготовки деталей под сварку и др.

По сравнению с другими технологическими процессами получения изделий сварочный процесс имеет специфические особенности, которые оказывают более сильное влияние на свойства обрабатываемого материала. К ним относятся особенности термического воздействия, протекания металлургических процессов и механического воздействия.

Особенностями термического воздействия являются:

неравномерный нагрев (градиент температуры при сварке в зависимости от вида сварки изменяется от сотен градусов до нескольких тысяч градусов на миллиметр);

высокие температуры нагрева в зоне действия источника тепла, достигающие температуры кипения материала, например при лазерной сварке;

большие скорости нагрева и охлаждения (от десятков до тысяч градусов в секунду).

Металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне, также имеют свои особенности:

большая поверхность расплавленного металла по отношению к его объему (0,5–100 мм^–1); это определяет существенное влияние реакций, протекающих на поверхности сварочной ванны, на изменение свойств металла во всем объеме сварного шва;

относительно малая масса расплавленного металла (от нескольких килограммов при электрошлаковой сварке до сотых долей грамма при сварке микродеталей);

активность химических и физических процессов взаимодействия расплавленного металла с окружающей средой и сварочными материалами, обусловленная в значительной степени высокой температурой.

К особенностям механического воздействия относят:

возникновение в сварных соединениях напряжений, достигающих во многих случаях предела текучести;

воздействие на сварное соединение остаточных напряжений, существовавших в конструкции до сварки.

Рассмотренный комплекс факторов, влияющих на свариваемость, обуславливает нежелательные последствия:

резкое отличие химического состава, механических свойств и структуры металла шва от химического состава, структуры и свойств основного металла;

изменение структуры и свойств основного металла в зоне термического влияния;

возникновение в сварных конструкциях значительных напряжений, приводящих в ряде случаев к образованию трещин;

образование в процессе сварки тугоплавких, трудно удаляемых оксидов, затрудняющих протекание процесса, загрязняющих металл шва и понижающих его качество;

образование пористости и газовых раковин в наплавленном металле, нарушающих плотность и прочность сварного соединения.

Для сведения к минимуму неблагоприятных изменений свойств сварных соединений и устранения в них дефектов проводят специальные технологические мероприятия:

используют термический цикл сварки, устраняющий образование закалочных структур (предварительный и сопутствующий подогревы, сварка короткими участками и др.);

с целью уменьшения содержания водорода в металле сварного соединения улучшают защиту металла сварочной ванны, выполняют тщательную подготовку поверхности свариваемых кромок и сварочных материалов, используют флюсы и электродные покрытия с низким содержанием водорода и др.;

производят термическую обработку сварного соединения непосредственно после сварки (нормализация, закалка с отпуском и др.);

применяют технологические приемы, снижающие остаточные напряжения (сварка каскадом, использование приспособлений, создающих напряжения сжатия и др.)

В сварочной практике традиционно принято различать несколько качественных степеней технологической свариваемости: хорошую, удовлетворительную, ограниченную и плохую. Первоначально такое деление технологической свариваемости относилось к сталям, а в дальнейшем распространилось на другие металлы и сплавы [17].

В основе классификации сталей по технологической свариваемости обычно лежит эквивалент углерода, от значения которого устанавливают ту или иную степень свариваемости с необходимыми технологическими мероприятиями по ее обеспечению. Такая классификация сталей, применяемых в объектах котлонадзора, приведена в табл. 4.1 [3].

Значение эквивалента углерода С_Э определялось по формуле:

При расчете эквивалента углерода массовые доли химических элементов выражают в процентах.

Стандартная классификация материалов по технологической свариваемости отсутствует, поэтому в некоторых случаях эту классификацию проводят на различное число степеней свариваемости (рис. 4.3, 4.4) [12].

При различных видах сварки степень технологической свариваемости может определяться специфическими особенностями, присущими данному виду сварки. Например, при ультразвуковой сварке металлов с кубической гранецентрированной, кубической объемноцентрированной и гексагональной решетками свариваемость ухудшается в пропорции 24 : 8 : 6. Это обусловлено тем, что металлы с разной кристаллической структурой обладают неодинаковой способностью проводить ультразвуковые колебания. Мерой количественной оценки свариваемости металлов и сплавов служат числовые значения показателей свариваемости, каждый из которых представляет выраженный в абсолютных или относительных величинах результат сравнения полученного при испытании или расчете значения с нормативным значением определяемого свойства сварного соединения.

Число показателей свариваемости может быть различно в зависимости от совокупности характеристик и свойств, определяющих работоспособность сварных соединений.

Практически пользуются набором основных показателей, типовых для каждого вида материалов и условий эксплуатации изготовленных из них сварных конструкций.

Таблица 4.1

Классификация стали по технологической свариваемости при сварке плавлением

Отдельные марки сталей	Эквивалент углерода Сэ, %	Степень свариваемости	Характеристика свариваемости сталей
Ст2, Ст3, 08, 10, 20, 09Г2С, 16К, 10Г2С,15К	< 0,25	Хорошая, I группа	Свариваются любыми видами сварки без применения особых приемов подогрева, термической обработки, образуя соединения высокого качества
15ГС, 17ГС, 14ХГС, 20ГСЛ, 15ХМ, 16ГС, 17Г1С	0,25–0,35	Удовлетвори-тельная, II группа	Требуется строгое соблюдение режимов сварки и температурных условий, включая подогрев до 100- 150 ° С при сварке и послесварочную термическую обработку в отдельных случаях, а также применение специального сварочного материала
12Х1МФ, 20ХМФЛ, 15Х1М1Ф, 15Х1М1ФЛ, 12Х11В2МФ	0,35–0,45	Ограниченная, III группа	Требуется подогрев до 250- 300 ° С и последующий после сварки отпуск. Перед сваркой стали подвергают термической обработке. Склонны к образованию трещин при сварке без подогрева
40ХМФА и подобные	> 0,45	Плохая, IV группа	При сварке высокая склонность к появлению трещин в металле шва и околошовной зоне, несмотря на применение специальных технологических мер: подогрева, промежуточного отпуска и др. Качество сварных соединений пониженное

При сопоставлении материалов и технологий показатели свариваемости используют в качестве критериев сравнения.

Выбор основных показателей для функциональной свариваемости производят в каждом конкретном случае с учетом того, какие свойства и характеристики могут быть связаны с наиболее вероятными отказами сварных соединений данного изделия при эксплуатации.

Методы испытаний и контроля сварных соединений и сварной конструкции, а также их объем определяются назначением изделия и типом конструкции.

Материалы для обеспечения свариваемости

В различных областях промышленности при изготовлении сварных конструкций ведущее место занимает сварка плавлением, обеспечивающая их высокое качество и технологичность.

При сварке плавлением для обеспечения необходимых регламентируемых характеристик сварного соединения широкое применение находят расходуемые сварочные материалы: покрытые металлические электроды, сварочная проволока, флюсы и др.

Покрытые металлические электроды для сварки и наплавки являются важнейшим и наиболее используемым видом сварочных материалов. Несмотря на интенсивное развитие механизированных и автоматических видов сварки, преобладающим способом изготовления сварных конструкций, как в нашей стране, так и за рубежом является дуговая сварка покрытыми металлическими электродами. В общем объеме производства сварных конструкций около 60 % изготовляется с применением ручной дуговой сварки.

Электроды каждой марки обладают комплексом свойств, знание которых позволяет специалистам наиболее рационально и квалифицированно производить выбор определенной марки электрода применительно к конкретному изделию при его проектировании, изготовлении и ремонте. Правильный выбор электродов фактически гарантирует необходимую технологическую и функциональную свариваемость конструкционных материалов.

В многочисленных справочниках по сварке имеющиеся разделы по электродам содержат разрозненные сведения по ограниченному кругу электродов, которые не могут быть использованы для широкого сопоставления и анализа при выборе марок электродов для сварки применяемых в промышленности сталей различного назначения с исключительно большой номенклатурой их марок.

Полные сводные данные по маркам электродов приводятся в каталогах, выпускаемых отраслевыми министерствами и заводами-изготовителями. Однако в этих каталогах находят отражение сведения также только по узкому кругу электродов, рекомендуемых в данной отрасли промышленности или изготовляемых заводами.

Единый каталог марок электродов для сварки сталей не разработан, потому предварительный анализ и выбор марок электродов по различным каталогам требует большой затраты времени.

Впервые комплексные сведения по широкому кругу электродов для сварки различных сталей собраны и представлены в удобной для использования форме в работе [6]. Однако в этой работе отсутствуют полные условные обозначения электродов, а индексы приводимых неполных обозначений, характеризующие свойства электродов, в ряде случаев не соответствуют аналогичным индексам, указанным в каталогах.

Учитывая тесную взаимосвязь между полным условным обозначением электродов и выбором марок электродов для обеспечения свариваемости, на основании данных каталогов [5, 19- 23, 25, 30- 32] были скорректированы их индексы и составлены полные условные обозначения электродов для сварки сталей по отечественным стандартам.

Следует отметить, что расшифровка и составление полного условного обозначения электродов представляет определенные трудности, так как необходимые для этой цели сведения располагаются в различных стандартах, подвергаемых постоянным редакционным изменениям.

Развивающееся с каждым годом международное экономическое сотрудничество приводит к постепенному внедрению зарубежных покрытых металлических электродов в сварочное производство и экспорту отечественных электродов.

Применение некоторых зарубежных электродов для сварки изделий уже регламентируют отраслевыми руководящими документами [26, 27].

В связи с этим приобретает практическую значимость не только расшифровка условного обозначения зарубежных электродов по национальным стандартам, но и составление условного обозначения отечественных электродов по международным стандартам. К этому обязывает и будущее вступление России во Всемирную торговую организацию, требующую международного обозначения экспортируемой продукции.

С учетом вышеизложенного подробно рассмотрены условные обозначения покрытых металлических электродов по отечественным, международным и зарубежным стандартам и приведены примеры по расшифровке и составлению обозначений по этим стандартам.

Для удобства выбора электродов по конкретному назначению составлены и отобраны сводные таблицы с характеристиками различных групп покрытых металлических стандартных и нестандартных электродов.

Покрытые металлические электроды для ручной дуговой сварки сталей

Классификация и условное обозначение электродов по отечественным стандартам. В основе классификации покрытых электродов для сварки сталей лежат признаки, которые находят отражение в их условном обозначении в виде буквенно-цифровой индексации. Условное обозначение электродов несет всестороннюю информацию о назначении и технологических свойствах электродов, о регламентируемых характеристиках металла шва и наплавленного металла (РХМ) по прочности, пластичности, хладостойкости, жаропрочности, жаростойкости и стойкости к межкристаллитной коррозии. Умелое использование этой информации помогает производить правильный выбор электродов для сварки различных сталей.

Структура условного обозначения покрытых металлических электродов для ручной дуговой сварки сталей установлена ГОСТ 9466–75 и представляет собой дробь, в числителе и знаменателе, которой в закодированном виде указывают различные характеристики электродов (рис. 4.5). Эти характеристики кодируют цифровыми, буквенными или буквенно-цифровыми индексами. Кроме того, на уровне черты за дробью указывают ГОСТ 9466–75 и обозначение стандарта на соответствующий тип электрода.

В зависимости от назначения различают следующие группы электродов, которые кодируют буквами:

У — для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с временным сопротивлением до 588 МПа (60 кгс/ммІ);

Л — для сварки легированных конструкционных сталей с временным сопротивлением свыше 588 МПа (60 кгс/ммІ);

Т — для сварки легированных теплоустойчивых сталей;

В — для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами.

Для каждой группы установлены свои типы электродов: для групп У, Л, Т — по ГОСТ 9467–75, для группы В — по ГОСТ 10052–75. Типы электродов для ручной дуговой сварки сталей, их обозначение и расшифровка буквенно-цифровых индексов представлены в табл. 4.2.

Стекло

Zr-сплавы

W-сплавы

Nb-сплавы

Ti-сплавы

Tа-сплавы

Ag-сплавы

Pt-сплавы

Pd-сплавы

Ni-сплавы

Mo-плавы

Mg-сплавы

Сталь, желез

Cu, латунь

Be-сплавы

Al-сплавы

Be-сплавы

Cu, латунь

Сталь, железо

Mg-сплавы

Mo-сплавы

Ni-сплавы

Pd-сплавы

Pt – сплавы

Ag-сплавы

Tа-сплавы

Ti-сплавы

Nb-сплавы

Zr-сплавы

Стекло

Рис. 4.4. Технологическая свариваемость материалов
ультразвуковой сваркой: X — свариваются хорошо

Рис. 4.5. Структура условного обозначения электродов по ГОСТ 9466–75:
РХМ — регламентируемые характеристики наплавленного металла и металла шва; U_хх — номинальное напряжение холостого хода источника питания сварочной дуги переменного тока частотой 50 Гц. В условном обозначении электродов для сварки
углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением
до 588 МПа (60 кгс/мм²) после буквы Е тире не ставят

ПАЯЕМОСТЬ

Сущность паяемости

Паяемость — это свойство материала образовывать паяное соединение при заданном режиме пайки (ГОСТ 17325–79). В отличие от свариваемости стандартное определение паяемости не отражает в прямом виде функциональное назначение паяного соединения, хотя в скрытой форме оно заложено в термине «заданный режим пайки».

Под режимом пайки понимают совокупность параметров и условий, при которых осуществляют пайку. К этой совокупности относят температуру пайки, время выдержки при этой температуре, скорость нагрева и охлаждения, способ пайки, припой, флюс (газовую среду), давление на соединяемые заготовки и др. (ГОСТ 17325–79).

Тогда при заданном режиме пайки паяемость — это свойство материала образовывать паяное соединение с требуемой прочностью, пластичностью, герметичностью, электропроводностью, коррозионной стойкостью и т. д.

На паяемость оказывает влияние совокупность факторов, которые условно подразделяют на три группы: физико-химические, технологические и конструктивные факторы [33, 34].

К первой группе факторов относят физико-химические свойства паяемого металла и припоя, определяющие характер их взаимодействия, воздействие флюсующих сред на припой и паяемый металл, условия и характер кристаллизации при пайке. Характер взаимодействия твердого и жидкого металлов зависит от электронного строения их атомов, соотношения атомных радиусов, положения элементов в ряду электроотрицательности, валентности и потенциалов ионизации атомов.

Группу технологических факторов составляют подготовка поверхности и сборка изделий перед пайкой, способ удаления окисной пленки, режим пайки, обработка паяных соединений и др.

К конструктивным факторам относят тип паяного соединения, геометрические параметры и расположение паяных соединений в изделии.

Среди перечисленных факторов наибольшее влияние на паяемость оказывают свойства паяемого металла и припоя.

Материалы для обеспечения паяемости

Припои

Паяемость материалов существенно зависит от используемого припоя, к которому предъявляют следующие требования:

температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления соединяемых материалов;

припой должен обладать хорошей жидкотекучестью, смачивать поверхности соединяемых материалов, растекаться по ним, проникать в узкие зазоры;

припой не должен в значительной степени снижать прочность (статическую и вибрационную) и пластичность соединяемых материалов, а также способствовать их хрупкому разрушению;

с паяемыми материалами припой не должен образовывать соединений, склонных к коррозии;

коэффициенты линейного расширения припоя и соединяемых материалов не должны резко отличаться во избежание образования остаточных напряжений и трещин в паяном соединении.

Помимо общих требований, к припоям в зависимости от их использования предъявляют ряд специфических требований, например, по электропроводности, теплопроводности, коррозионной стойкости в специальных средах, деформации в горячем и холодном состояниях и др.

В зависимости от температуры полного расплавления Т_пл (температуры ликвидуса) припои подразделяют на особолегкоплавкие (Т_пл ≤ 145⁰С), легкоплавкие (145 ⁰С < Т_пл ≤ 450 ⁰С), среднеплавкие (450 ⁰С < Т_пл ≤ 1100 ⁰С), высокоплавкие (1100 ⁰С < Т_пл ≤ 1850 ⁰С) и тугоплавкие (Т_пл > 1850 ⁰С).

Особолегкоплавкие и легкоплавкие припои относят к припоям для низкотемпературной (мягкой) пайки, а среднеплавкие, высокоплавкие и тугоплавкие — к припоям для высокотемпературной (твердой) пайки (ГОСТ 19248–90).

Припои для низкотемпературной пайки изготовляют на основе олова, свинца, висмута, цинка, кадмия и индия.

Припои для высокотемпературной пайки содержат медь, серебро, никель, кобальт, железо, алюминий и др.

Вышеуказанный ГОСТ 19248–90, который соответствует международному стандарту ISO 3677, устанавливает новое обозначение припоев.

Условное обозначение состоит из трех частей. Первая часть содержит букву В (Brasing), означающую припой.

Вторая часть содержит группу символов — химических элементов припоя. Первым в группе символов указывают основной элемент припоя, определяющий его основные свойства. Затем указывают численное значение его массовой доли в процентах. Остальные химические символы указывают в порядке убывания массовой доли элементов. В случае, если в припое два или более элементов имеют одну и ту же массовую долю, их указывают в порядке понижения атомного номера.

Элементы припоя, массовая доля которых составляет меньше 2 %, не указывают, кроме элементов, оказывающих существенное влияние на свойства припоя, драгоценных и редких металлов, если они не являются примесями.

В обозначении указывают не более шести химических элементов.

Третья часть содержит значение температуры начала и конца плавления. Для эвтектических сплавов указывают только температуру плавления.

Примеры условных обозначений:

1. Эвтектический припой, содержащий 72 % серебра (основной элемент) и 28 % меди, с температурой плавления 780 ⁰С: B Ag72 Cu 780.

2. Припой, содержащий 63 % никеля (основной элемент), 16 % вольфрама, 10 % хрома, 3,8 % железа, 3,2 % кремния, 2,5 % бора, 0,5 % углерода, 0,6 % фосфора, 0,1 % марганца и 0,2 % кобальта с температурой начала плавления 970 ⁰С и конца плавления 1105 ⁰С:

B Ni63 W Cr Fe Si B 970–1105.

3. Припой, содержащий 25 % олова (основной элемент), 73 % свинца и 2 % сурьмы с температурой начала плавления 185 ⁰С и конца плавления 260 ⁰С: B Sn25 Pb 185–260.

В настоящее время переход на новое обозначение припоев не завершен как в нашей стране, так и за рубежом, и пока используют обозначение припоев по ранее разработанным стандартам на отдельные группы припоев (ПОС 90, ПОССу 61-0,5, ПОСу 95-5, ПСр 72, ПСр МО 68-27-5, ПСр 50 Кд, ПМЦ 36, ПМЦ 54 и др.) или по марке, установленной заводом-изготовителем (ВПр 1, ВПр 9, ВПр 31 и др.).

По существующим стандартам обозначение припоя начинается с буквы П (припой), затем указывают химический символ основного элемента припоя. Дальнейшее обозначение припоя отличается для различных групп припоев.

Для оловянно-свинцовых припоев проставляют все символы элементов, а массовые доли этих элементов в процентах указывают только для олова и сурьмы. Символы элементов обозначают буквами русского алфавита (ГОСТ 21930–76). Например:

1. ПОС 90 — припой (П) оловянно (О)-свинцовый (С) со средним содержанием олова 90 %.

2. ПОССу 10–2 — припой (П) оловянно (О)-свинцовый (С) сурмянистый (Су) со средним содержанием олова 10 % и сурьмы 2 %.

Для медно-цинковых припоев (ГОСТ 23137–78) после символов элементов указывают содержание только основного элемента.

Например, ПМЦ 36 — припой (П) медно (М)-цинковый (Ц) со средним содержанием меди 36 %.

Для серебряных припоев существуют различные варианты обозначений (ГОСТ 19738–74).

Первый вариант. После буквы П указывают только основной элемент и его процентное содержание (ПСр 72, ПСр 40, ПСр 1). Например:

1. ПСр 72 — припой (П) серебряный (Ср) со средним содержанием серебра 72 %. Второй элемент медь (28 %) не указывают.

2. ПСр 1 — припой (П) серебряный (Ср) со средним содержанием серебра 1 %. Другие элементы — олово (35 %), кадмий (2,5 %), сурьма (0,9 %), свинец (остальное) не указывают. По данному условному обозначению серебряных припоев трудно судить об их составе.

Второй вариант. После буквы П указывают элементы, входящие в состав припоя, а затем их процентное содержание. ПСрМЦКд 45-15-16-24, например, — припой серебряный со средним содержанием серебра (Ср) 45 %, меди (М) 15 %, цинка (Ц) 16 % и кадмия (Кд) 24 %. Этот вариант обозначения припоев — самый информативный.

Следует отметить, что кадмий в серебряных припоях обозначают двумя буквами «Кд», а для оловянно-свинцовых припоев по ГОСТ21930–76 — одной буквой «К», например, ПОСК 50-18, содержащий 50 % олова (О) и 18 % кадмия (К).

Третий вариант. После буквы П указывают основной элемент, его процентное содержание, а затем — только буквенный символ еще одного элемента, оказывающего существенное влияние на свойства припоя.

Например, ПСр50Кд — припой серебряный с содержанием 50 % серебра (Ср), имеющий в своем составе кадмий (Кд). Кадмий в серебряных припоях сильно снижает их температуру плавления, одновременно увеличивая жидкотекучесть. Для данного припоя символы меди и цинка, их процентное содержание, как и кадмия, не указывают в обозначении припоя. Обозначение припоев по ранее разработанным стандартам не предусматривает указания температур начала и конца плавления.

Марки оловянно-свинцовых и серебряных припоев, их химический состав и назначение приведены в табл. 4.64–4.69, а марки наиболее распространенных медных, никелевых, алюминиевых припоев и их химический состав — в табл. 4.70–4.72.

Флюсы

Для обеспечения паяемости применяют различные флюсы, основное назначение которых — удаление окислов с поверхности паяемого материала и припоя и предотвращение их образования.

Свойства флюсов должны отвечать следующим требованиям:

вступать во взаимодействие с окислами, прежде чем расплавится припой; для каждого флюса существует температура его активного действия, которая несколько превышает температуру плавления флюса, но она должна быть ниже температуры плавления припоя;

смачивать паяемый материал;

не вызывать коррозионного влияния на соединяемые детали и припой;

оказывать адсорбирующее действие на металл, снижая поверхностное натяжение жидкого припоя и улучшая его растекаемость по паяемой поверхности;

не изменять своего химического состава при нагревании вследствие испарения и сублимации отдельных компонентов (не снижать активность в предусмотренном интервале температур пайки);

по возможности не содержать дорогостоящих компонентов;

быть устойчивым в условиях хранения, транспортирования и применения.

В зависимости от температурного интервала активности различают низкотемпературные (Т_пл ≤ 450 ⁰С) и высокотемпературные (Т_пл > 450 ⁰С) паяльные флюсы (ГОСТ 19250–73).

Составы наиболее распространенных флюсов для пайки черных и цветных металлов приведены в табл. 4.73 и 4.74 [2].

Методы оценки паяемости

Для оценки паяемости используют различные методы испытаний и контроля:

метод определения смачивания материалов припоями;

метод определения заполнения зазора припоем;

метод определения эрозии паяемого материала;

метод выявления и определения толщины прослойки химического соединения;

метод определения температуры распайки;

метод испытаний для оценки влияния жидкого припоя на механические свойства паяемого материала;

механические испытания;

методы неразрушающего контроля качества и другие.

Метод определения смачивания материалов припоями

Смачивание материалов припоями определяют по следующим характеристикам (ГОСТ 23904–79):

краевому углу смачивания и площади растекания;

начальной скорости смачивания и времени растекания (для припоев с Т_пл≤ 450 ⁰С).

При определении смачивания по краевому углу и площади растекания для испытаний применяют пластины размерами 40Ч40 мм или диски диаметром 40 мм из паяемого материала с толщиной от 0,5 до 3,0 мм, припой в форме цилиндра или куба с дозированным объемом 64 мм³ и флюс (объем — не более 400 мм³).

При использовании припоев, содержащих драгоценные или редкие металлы (Ag, Au, Pt, Pd и др.) применяют пластины размерами 20Ч20 мм или диски диаметром 20 мм, припой с объемом 16 мм³ и флюс (объем — не более 100 мм³). Подготовку поверхности образцов и припоя производят в соответствии с технологическим процессом изготовления паяной конструкции.

Припой размещают в центре горизонтально расположенной пластины (диска), затем образец нагревают.

Краевой угол смачивания фиксируют при достижении припоем следующих значений температуры:

начала плавления (3–5 ⁰С выше температуры солидуса);

полного расплавления (3–5 ⁰С выше линии ликвидуса);

температуры пайки.

Допускается измерение краевого угла смачивания после охлаждения образца.

Для определения краевого угла смачивания применяют фото- и киноаппаратуру.

Краевой угол смачивания — это двугранный угол между плоскостью, касательной к поверхности припоя у границы смачивания, и смоченной припоем плоской поверхностью паяемого материала (ГОСТ 17325–79).

Для каждой капли (на снимке или проекции) измеряют краевой угол с левой и с правой сторон (θ_лев и θ_прав). Угол смачивания для данной капли определяют как среднее арифметическое этих значений.

Краевой угол смачивания θ для данного сочетания «припой — паяемый материал» определяют по формуле:

где θ₁, θ₂,…, θ_n—значения краевого угла смачивания для каждой капли;

n — число образцов.

Число образцов для испытаний должно быть не менее трех для каждого сочетания материалов, припоя, флюса и режима пайки.

Площадь растекания припоя находят после охлаждения образца как среднее арифметическое из трех полученных результатов испытаний.

При определении смачивания по начальной скорости и времени растекания для испытаний применяют пластины из паяемого материала длиной 30 мм, шириной — до 25 мм и толщиной от 0,1 до 1,0 мм (предпочтительные размеры образца — 30Ч10Ч0,1), а также проволоку диаметром от 0,3 мм (предпочтительный размер — 1,0 мм).