На главную страницу. Назад.

В последние годы в качестве припоев применяют аморфные и микрокристаллические (АМ) сплавы, получаемые методом быстрого (10⁴-10⁶ К/с) затвердевания расплава на вращающемся барабане-холодильнике. В работах [1, 2, 3, 4] описаны составы, некоторые свойства и особенности применения АМ-сплавов-припоев для высокотемпературной пайки. Однако до настоящего времени не проведены сравнительные исследования свойств паяных соединений, полученных с использованием АМ и традиционных кристаллических припоев.

Результаты предварительных исследований показали, что свойства паяных соединений значительно зависят от вида используемого припоя (порошок, паста, прокатанная пластина и т.д.). Для исключения влияния данного фактора припои в кристаллическом состоянии использовали в виде пластинок толщиной равной толщине АМ лент (40-50 мкм). Для этого из кристаллических слитков сплавов, полученных 6-8 кратным переплавом в дуговой печи МИФИ-9 в среде аргона, электроискровым методом вырезались пластинки припоя толщиной 200-250 мкм. До необходимой толщины полученные пластинки утонялись попеременным шлифованием и травлением. Таким образом, ленты (пластинки) припоев имели одинаковую массу и толщину.

Пайку образцов по режимам, представленным в таблице, осуществляли в вакууме с остаточным давлением не ниже 10^-2 Па в печах типа СШВ. Свойства паяных соединений исследовали с помощью металлографического и микрорентгеноспектрального анализов и механических испытаний.

В результате исследований обнаружено, что при использовании припоев в различном исходном структурном состоянии формируются паяные швы с сильно различающимися микроструктурой и распределением элементов в зоне пайки. В паяных швах, полученных с использованием АМ-припоев, наблюдается меньшее количество интерметаллидов и других хрупких фаз вследствие более активной диффузии легирующих компонентов припоев (P, B, Si) в основной металл. В качестве примера на рис. 1 приведена микроструктура паяного соединения БрХЦр-БрХЦр, выполненного припоем СТЕМЕТ 1101 в аморфном и кристаллическом состояниях. Распределение элементов в зоне пайки исследовали с помощью спектрометра WDX-3PC (Microspec).

Испытания на ударную вязкость паяных соединений БрХЦр-БрХЦр, выполненных припоем СТЕМЕТ 1101 , проводили в соответствии с ГОСТ 23046-78 при температуре 18-20 ^оС на образцах типа I на маятниковом копре МК-30 с запасом энергии 58,8 Дж. Паяные образцы, выполненные с использованием аморфного ленточного припоя характеризуются значительно более высокими характеристиками сопротивления ударным нагрузкам. Ударная вязкость образца, выполненного аморфным и кристаллическим припоями, составила 0,31+0,06 и 0,06+0,03 Дж/мм², соответственно.

Различие в структуре паяных соединений, по-видимому, является следствием существенного различия структуры, физических и химических свойств расплавов, полученных при плавлении исходных аморфных и кристаллических сплавов-припоев одинакового состава. Расплавы многокомпонентных припоев, имеющих сложный фазовый состав, при нагреве представляют собой неравновесные системы, строение которых зависит не только от химического состава, но и от их предыстории. Соответственно, от предыстории расплава зависят и его свойства, в том числе диффузионная и реакционная способности элементов, а также механизм и кинетика кристаллизации [5].

Различие в строении расплавов исследовано совместно со специалистами в области металлических расплавов кафедры физики Института физики металлических жидкостей УГТУ (Екатеринбург). Кинематическую вязкость определяли методом измерения крутильных колебаний тигля с расплавом. На рис. 4 приведены зависимости кинематической вязкости расплавов припоев СТЕМЕТ 1101, 1108 и 1301 в кристаллическом и аморфном состояниях от температуры. Видно, что температурные зависимости кинематической вязкости v(t) расплава в обоих случаях характеризуются гистерезисом свойств, т.е. несовпадением политерм нагрева и охлаждения. Вязкость расплава, полученного из АМ лент, существенно выше, чем в случае расплавления слитка. На ветви нагрева расплава из кристаллического слитка (в отличие от расплава из АМ ленты) при некоторой критической температуре (1000-1030^оС на рис. 4, а и 1020-1040 ^оС на рис. 4, б) наблюдается аномальное возрастание вязкости, свидетельствующее о протекании интенсивных структурных перестроек в расплаве, обусловленных повышением его однородности. Можно полагать, что в этом интервале температур происходит сравнительно быстрое ослабление межатомных связей, соответственно, разрушение образованных ими атомных группировок (кластеров), унаследованных от исходных фаз кристаллического образца [5,6]. Вязкость охлаждаемого расплава повышается из-за того, что при образовании более однородной системы энергия активации вязкого течения, т.е. средняя энергия взаимодействия менее крупных единиц вязкого течения, возрастает за счет высвобождения и участия в вязком течении ранее замкнутых в исходных группировках сильных связей.

Другой вид имеют температурные зависимости вязкости расплава, полученные из АМ-ленты (см. рис. 4, б, в). Здесь ветвь нагрева располагается выше ветви охлаждения. Последняя, что очень важно и интересно, почти совпадает с кривой зависимости n (t) расплава, полученного из кристаллического слитка. После плавления структура жидкости сохраняет многочисленные черты ближнего порядка исходного твердого образца. Повышенные значения вязкости нагреваемого расплава быстрозакаленной ленты свидетельствуют о том, что единицами вязкого течения здесь являются весьма дисперсные кластеры в окружении отдельных атомов или ионов. В данном случае они еще не сформировали равновесные элементы микронеоднородности или, другими словами, атомные группировки с прочными внутренними связями, свойственными составу сплава, типа Cu- In, Cu- Sn, Cu- Mn, Cr- Mn, Ni-P, Ni-Si, Ni-B и др. Причины такой повышенной, можно сказать сверхравновесной, однородной жидкости связаны, вероятно, с особенностями и влиянием процесса получения аморфной (микрокристаллической) ленты, которая сама представляет собой неравновесную систему атомов.

Изначальное присутствие в расплаве, полученном из кристаллического слитка, устойчивых атомных ассоциатов (кластеров) из разноименных атомов с сильными внутренними связями [5], по-видимому, затрудняет движение атомов (P, Si, B и др.) в жидкости и, таким образом, ограничивает их диффузию в основной металл. Данные ассоциаты (кластеры) могут являться центрами кристаллизации интерметаллидов и способствовать образованию большего количества крупных интерметаллидов в паяных швах.

5. Баум Б.А. Металлические жидкости. М.: Наука, 1979. 120 с.

6. Ватолин Н.А. Влияние ближнего порядка жидких сплавов на структуру и свойства металлов в твердом состоянии. Расплавы. 1992. №1. С. 3-12.

На главную страницу. Назад.