Общие закономерности кристаллизации паяных швов.

Малая толщина прослойки жидкого припоя и большая поверхность его контакта с паяемым металлом приводит к тому, что в результате их взаимодействия припой интенсивно взаимодействует с компонентами основного металла, особенно при высокотемпературной пайке. Состав припоя может изменяться не только вследствие растворения паяемого металла, но и в результате избирательной диффузии компонентов припоя в последний, химического взаимодействия с ним, испарения компонентов с высоким давлением паров, окисления и перехода в шлак некоторых компонентов. Все это, как правило, приводит к повышению температуры плавления припоя, поэтому перегрев расплава припоя (по отношению к температуре ликвидуса Т_л) практически всегда отсутствует.

Кристаллизация паяных швов может происходить как путем образования новых зерен, так и путем достройки отдельных зерен паяемого металла.

Направленный теплоотвод и наличие твердой поверхности паяемого металла, во многих случаях изоморфной с кристаллизующейся жидкой фазой, часто являются определяющими факторами процесса кристаллизации. В отдельных случаях кристаллизация происходит как направленное «заращивание» соединительного зазора. Наиболее характерным примером этого является изотермическая кристаллизация, которая будет рассмотрена отдельно.

Направленный теплоотвод и отсутствие перегрева создают условия для направленной кристаллизации, что при отсутствии концентрационного переохлаждения приводит к образованию устойчивого плоского фронта кристаллизации. Такая кристаллизация характерна для начальной стадии и, соответственно, определяет структуру зоны, прилегающей к границе шва. По мере развития перед фронтом кристаллизации зоны концентрационного переохлаждения возникают отдельные ячейки, которые в дальнейшем могут перерасти в дендриты. Существенную роль при этом играет величина зазора. При малых зазорах (0,03…0,08 мм) кристаллизация происходит путем перемещения плоского фронта в направлении к центру шва (рис. 4.5, 4.6). С увеличением зазора до десятых долей миллиметра (0,15…0,3 мм) появляется зона с ячеистой кристаллизацией, а при дальнейшем увеличении зазора до 0,5 мм получают развитие и дендритные формы роста. При этом, вследствие направленного теплоотвода, растут дендриты благоприятно ориентированные к направлению теплоотвода, образуя, так называемую, текстуру роста (рис. 4.7). Иногда, когда перед фронтом кристаллизации образуются значительные зоны концентрационного переохлаждения, возможно самостоятельное зарождение и рост дендритов перед фронтом кристаллизации, в результате в центральной части шва образуются самостоятельные дендриты, не связанные паяемым металлом (рис. 4.8). При очень малых зазорах (0,02…0,05 мм) в паяном шве формируется структура, представляющая собой один ряд плоских зерен, без обычной в центре шва границы стыка кристаллов, растущих с двух сторон от границ шва (рис. 4.9). Такую структуру нельзя объяснить с точки зрения общих закономерностей кристаллизации. По-видимому, она образуется без участия процессов разделительной диффузии в результате одновременной кристаллизации во всем объеме припоя.

Рис. 4.9. Микроструктура паяного шва с одним рядом плоских зерен
(железо, припой – медь, зазор 0,05 мм)

Скорость охлаждения влияет на характер кристаллизации аналогично величине зазора: в условиях медленного охлаждения преобладает ячеистая форма кристаллизации, при относительно больших скоростях охлаждения развивается дендритная форма, причем центры кристаллизации располагаются как на паяемой поверхности, так и внутри объема припоя.

Указанные закономерности не распространяются на галтельные участки паяных швов, в которых, как правило, отношение объема припоя к площади межфазной границы значительно больше, чем в капиллярной части, а так же другие условия теплоотвода. Это приводит к тому, что химический состав неоднороден по объему и, соответственно, имеется различие по температуре ликвидуса (Т_л). Здесь наиболее часто наблюдается дендритная кристаллизация, центры которой располагаются как на поверхности паяемого металла, так и внутри объема (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Микроструктура паяного шва
(медь М1, припой МФ-3, галтельный участок)