Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов

Приведена расчетная методика определения условия стойкости плоского фронта кристаллизации паяных швов на меди М1 самофлюсующим припоем на основе легкоплавкого сплава системы Sn–Pb–Bi и поверхностно-активных веществ в качестве флюсующих компонентов паяльной композиции. Кристаллизация является конеч...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2006
1. Verfasser:	Денисевич, Е.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2006
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102800
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов / Е.А. Денисевич // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 32-36. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-102800
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1028002016-06-13T03:05:32Z Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов Денисевич, Е.А. Научно-технический раздел Приведена расчетная методика определения условия стойкости плоского фронта кристаллизации паяных швов на меди М1 самофлюсующим припоем на основе легкоплавкого сплава системы Sn–Pb–Bi и поверхностно-активных веществ в качестве флюсующих компонентов паяльной композиции. Кристаллизация является конечным этапом образования паяного шва и от условий ее протекания зависят эксплуатационные характеристики паяного соединения. Изучение процесса кристаллизации паяных швов расчетными методами открывает возможности для прогнозирования технологических параметров пайки изделий. Характеристики, получаемые в результате расчета, позволяют регулировать технологические условия пайки для повышения эксплуатационных характеристик паяных соединений. Solidification is the final stage of formation of a braze weld and the conditions of its running determine the brazed joint performance. The paper gives the calculation procedure for determination of the conditions of producing a flat front of braze weld solidification on M1 copper, using a self-fluxing brazing filler metal based on a low-melting alloy of SnЦPbЦBi system and surfactants as fluxing components of the brazing composition. 2006 Article Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов / Е.А. Денисевич // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 32-36. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102800 691.791.35 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Денисевич, Е.А. Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов Автоматическая сварка
description	Приведена расчетная методика определения условия стойкости плоского фронта кристаллизации паяных швов на меди М1 самофлюсующим припоем на основе легкоплавкого сплава системы Sn–Pb–Bi и поверхностно-активных веществ в качестве флюсующих компонентов паяльной композиции. Кристаллизация является конечным этапом образования паяного шва и от условий ее протекания зависят эксплуатационные характеристики паяного соединения. Изучение процесса кристаллизации паяных швов расчетными методами открывает возможности для прогнозирования технологических параметров пайки изделий. Характеристики, получаемые в результате расчета, позволяют регулировать технологические условия пайки для повышения эксплуатационных характеристик паяных соединений.
format	Article
author	Денисевич, Е.А.
author_facet	Денисевич, Е.А.
author_sort	Денисевич, Е.А.
title	Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов
title_short	Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов
title_full	Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов
title_fullStr	Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов
title_full_unstemmed	Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов
title_sort	расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102800
citation_txt	Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов / Е.А. Денисевич // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 32-36. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT denisevičea rasčetnaâmetodikaopredeleniâparametrovkristallizaciipaânyhšvov
first_indexed	2025-07-07T12:51:06Z
last_indexed	2025-07-07T12:51:06Z
_version_	1836992605680828416
fulltext	УДК 691.791.35 РАСЧЕТНАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПАЯНЫХ ШВОВ Е. А. ДЕНИСЕВИЧ, канд. техн. наук (НТУУ «Киевский политехнический институт») Приведена расчетная методика определения условия стойкости плоского фронта кристаллизации паяных швов на меди М1 самофлюсующим припоем на основе легкоплавкого сплава системы Sn–Pb–Bi и поверхностно-активных веществ в качестве флюсующих компонентов паяльной композиции. Кристаллизация является конечным этапом образования паяного шва и от условий ее протекания зависят эксплуатационные характеристики паяного соединения. Изучение процесса кристаллизации паяных швов расчетными методами открывает возможности для прогнозирования технологических параметров пайки изделий. Характеристики, получаемые в результате расчета, позволяют регу- лировать технологические условия пайки для повышения эксплуатационных характеристик паяных соединений. К л ю ч е в ы е с л о в а : пайка, медь, кристаллизация, плос- кий фронт, расчетная методика Специфика процесса пайки такова, что кристал- лизация паяных швов протекает с большой ско- ростью от поверхности паяемого металла, кон- тактирующей с расплавом припоя, и является неравновесной. Неравновесные условия кристаллизации связаны с малым объемом расплава припоя в зазоре и осо- бой геометрией прослойки расплава зат- вердевающего припоя, которая имеет не- большую толщину и заключена между твердыми поверхностями. В процессе кристаллизации паяных соединений про- исходит направленный отвод тепла в направлении паяемого металла, не- значительный перегрев расплава припоя в зоне соединения, так как температура пайки близка к температуре начала зат- вердения припоя. Приведенные в работе расчеты усло- вия стойкости плоского фронта кристал- лизации низкотемпературного припоя системы Pb–Sn–Bi для электромонтаж- ной пайки электротехнических изделий основаны на фундаментальных работах [1, 2], в которых качественно и количес- твенно описаны процессы затвердевания жидкой фазы в зависимости от ее состава и условий затвердевания. Постановка задачи и теоретические обобщения. Расчет параметров кристал- лизации тройного сплава состава 22 % Pb–25 % Sn–53 % Bi начинают с анализа диаграммы состояния системы Pb–Sn–Bi, необходимые для расчетов харак- теристики определяют из справочных ма- териалов (таблица, рис. 1). Многокомпонентные сплавы, как и двухком- понентные, могут образовывать плоский фронт кристаллизации, если градиент температуры на фронте кристаллизации достаточно большой, а скорость роста кристаллов мала. Для этих сплавов могут быть применены как критерии концентра- ционного переохлаждения, так и теория стойкости © Е. А. Денисевич, 2006 Исходные данные для расчета параметров кристаллизации сплава системы Pb–Sn–Bi Параметр Значения Концентрация компонента в припое Спр, мас. %/ат. %: свинец 22/27 олово 35/35 висмут 53/38 Концентрация компонента в тройной эвтектике Сэ, мас. %/ат. %: олово 32/32 свинец 16/22 висмут 52/46 Концентрация компонента в двойной эвтектике, мас. %/ат. %: свинец в эвтектике Sn–Bi 42/57 олово в эвтектике Pb–Bi 56/56 Температура плавления Тпл, °С: свинца 327,3 олова 231,9 висмута 271,0 Температура ликвидуса припоя TлPb–Sn–Bi 120,0 Температура плавления эвтектики Тэ, °С Pb–Sn–Bi 96,0 Pb–Bi 123,0 Sn–Bi 137,0 Pb–Sn 183,3 Теплота кристаллизации ∆Н, кДж/моль свинца –4,772 олова –7,07 висмута –10,9 32 9/2006 фронта кристаллизации, как это сделано в работе [3] для трехкомпонентных сплавов. При описании кристаллизации припоя состава 22 % Pb–25 % Sn–53 % Bi условие стойкости плос- кого фронта кристаллизации состоит в том, что градиент фактической температуры на поверхнос- ти раздела твердой и жидкой фаз, определяемый технологическими факторами, может быть рав- ным или большим, чем градиент температуры ликвидуса в трехкомпонентной системе. Тройной сплав состава 22 % Pb–25 % Sn–53 % Bi в процес- се кристаллизации может иметь одно-, двух- и трехфазную структуру. Изотермическое сечение диаграммы состояния системы Pb–Sn–Bi при Tпл = 96 °С приведено на рис. 2. Сплав состава 22 % Pb – 25 % Sn – 53 % Bi (точка O) начинает затвердевать с образованием α-фазы — твердого раствора на основе олова. Обогащенная висмутом межкристаллитная жид- кость перемещается по мере затвердевания приб- лизительно радиально соответственно «оловянно- му» углу диаграммы, направляясь по линии крис- таллизации. Когда она пересекает линию двойной эвтектики, при достижении точки О1, на линии E2E начинается кристаллизация и рост двойной эвтектики Sn–Bi (α + + β); состав жидкой фазы изменяется по кривой E2E вдоль линии двухфаз- ного равновесия к точке E — точке образования тройной эвтектики при температуре 96 °С. При этой температуре оставшаяся жидкая фаза затвер- девает с образованием тройной эвтектики. Рис. 1. Проекция поверхности ликвидуса тройной системы Pb–Sn–Bi: точка О соответствует составу припоя: Pb = 22 мас. % (27 ат. %); Sn = 25 мас. % (35 ат. % ); Bi = 53 мас. % (38 ат. %); Tл = 120 °С; точка E — состав тройной эвтектики в системе Pb–Sn–Bi : Cэ ∆ = 16 % Sn (22 ат. % Sn); Cэ ∆ = 32 % Pb (32 ат. % Pb); Cэ ∆ = 52 % Bi (46 ат. % Bi); Tпл = 96 °С Рис. 2. Изотермическое сечение (Tпл = 96 °С) диаграммы состояния системы Pb–Sn–Bi 9/2006 33 Состав жидкой фазы в точке E, точке обра- зования тройной эвтектики, такой, мас. %: Pb = = 32, Sn = 16, Bi = 52. В этой точке при постоянной температуре заканчивается кристаллизация. Сплав, который отвечает эвтектическому составу, наиболее легкоплавкий, температура начала и конца кристаллизации этого сплава Tэ = 96 °С. Тройная эвтектика α + β + δ состоит из трех твер- дых растворов; двойная эвтектика состоит из двух твердых растворов α + β. В процессе кристал- лизации межкристаллитная жидкость чаще всего обогащается растворенным веществом до тех пор, пока ее состав не достигнет минимума на повер- хности ликвидуса, например состава тройной эв- тектики. В общем случае сначала образуется одна фаза и по мере ее роста состав расплава и тем- пература изменяются, определяя тем самым путь кристаллизации на поверхности ликвидуса, т. е. линию изменения химического состава жидкой фазы на диаграмме состояния. Когда эта линия достигнет линии двойной эвтектики, начнется об- разование второй фазы. Путь кристаллизации сов- падает с линией двойной эвтектики до точки трой- ной эвтектики. Результаты расчетов. Как и для двухкомпо- нентных сплавов, условие стойкости плоского фронта кристаллизации в системе Pb–Sn–Bi сос- тоит в том, что градиент фактической темпера- туры на поверхности распределения твердой и жидкой фаз может быть равным или большим гра- диента температуры ликвидуса в тройной системе. Критерий концентрационного переохлажде- ния, который определяет стойкость плоского фронта кристаллизации, рассчитывается для на- чала процесса кристаллизации и для условий эв- тектической кристаллизации. В начале кристаллизации критерий концент- рационного переохлаждения Gж/V определяется при допущении равновесных условий на фронте кристаллизации: Gж V ≥ mл PbC0 Pb(1 – KPb) KPbDPb – Bi – mл SnC0 Sn(1 – KSn) KSnDSn – Bi , где Gж — градиент температуры в расплаве на фронте кристаллизации; V — скорость роста крис- таллов; DPb – Bi, DSn – Bi — коэффициенты диф- фузии растворенных в расплаве элементов; KPb, KSn — равновесные коэффициенты распределения растворенных элементов свинца и олова, опреде- ляемые как для двухкомпонентных сплавов; C0 Pb, C0 Sn — исходная концентрация растворенных компонентов свинца и олова в расплаве припоя; mл Pb, mл Sn — наклон линии ликвидуса, определя- емый из двойной диаграммы состояния. При кристаллизации трехфазных сплавов сос- тав жидкости на фронте приблизительно равен эвтектическому (Cэ Pb и Cэ Sn). Поэтому условия стойкости плоского фронта кристаллизации мож- но получить из предыдущего уравнения, если за- менить состав жидкости на фронте кристалли- зации эвтектическим составом: Gж V ≥ mл Pb(Cэ Pb – Cэ Pb) DPb – Bi – mл Sn(Cэ Sn – C0 Sn) DSn – Bi , где Cэ Pb, Cэ Sn — содержание компонентов в трой- ной эвтектике. Некоторые трудности при расчетах связаны с наличием на диаграмме состояния поверхности ликвидуса, а не линии ликвидуса и возможностью диффузионного взаимодействия растворенных компонентов. Использование критерия концент- рационного переохлаждения в этом случае более сложно, так как для определения коэффициентов распределения по диаграмме состояния необхо- димо использовать коноды, а они определены только для небольшого числа систем. Однако, ес- ли поверхности ликвидуса и солидуса — плос- кости, связанные конодами, коэффициенты рас- пределения KPb и KSn, а также наклоны поверх- ности ликвидуса mл Pb и mл Sn постоянны и могут быть определены из соответствующих двойных диаграмм состояния. Расчет параметров кристаллизации следует на- чинать с определения коэффициентов диффузии растворенных компонентов для систем Pb–Bi, Pb– Sn и Sn–Bi по формуле [3, 4] : Dж = D0exp(–Q/RT). Определим коэффициенты диффузии в систе- мах Pb–Bi, Pb–Sn и Sn–Bi: DPb – Bi = 1,83⋅10–5 exp ( –18,4 8,314⋅373 ) = = 1,829⋅10–5 (cм2/c), DPb – Sn = 2,79⋅10–5 exp ( –8 8,314⋅373 ) = = 2,962⋅10–5 (cм2/c), DSn – Bi = 2,61⋅10–5 exp ( –10,3 8,314⋅373 ) = = 2,601⋅10–5 (cм2/c). Экспериментальные данные, приведенные в работе [3], свидетельствуют о некотором взаимо- действии компонентов: важными могут оказаться перекрестные коэффициенты диффузии DPb–Sn и DSn–Pb; возможно также, что коэффициенты рас- пределения, обусловленные направлением конод, зависят от состава расплава. Наклон поверхности ликвидуса определяется по формуле 34 9/2006 mл = ∆T/Cж max, mл Pb = Tэ Pb – Bi – Tпл Pb Cэ Pb = 123 – 327 44 = –4,63 oC/ат. %, mл Sn = Tэ Bi – Sn – Tпл Sn Cэ Sn = 137 – 231,9 57 = –1,66 oC/ат. %, mл Bi = Tэ Pb – Bi – Tпл Bi Cэ Vi = 123 – 271 44 = –3,36 oC/ат. %. Скорость роста кристаллов твердеющей фазы при равновесной кристаллизации можно опреде- лить по формуле из работы [3]: –V = ∆HBi 4Tпл Bi (см/с), –V = 10,9 4⋅271,3 = 1⋅10–2 см/с. Равновесный коэффициент распределения рас- творенного компонента на фронте кристалли- зации: KPb = 1 – mл∆HPb VTпл Pb2 = 1 – (–4,53)(–4,772) (3272)1⋅10–2 = = 1 – 0,02 = 0,98, KSn = 1 – mл Sn∆HSn VTпл Sn2 = 1 – (–1,66)(–7,07) (2322)1⋅10–2 = = 1 – 0,02 = 0,98. Критерий концентрационного переохлаждения на начальной стадии кристаллизации Cж V ≥ mл PbC0 Pb(1 – KPb) KPbDPb – Bi – mл SnC0 Sn(1 – KSn) KSnDSn – Bi = = –4,63⋅27⋅(1 – 0,98) 0,98⋅1,83⋅10–5 – –1,66⋅35⋅(1 – 0,98) 0,98⋅2,65 = = 1,84⋅105 оС/см2. Сплавы, составы которых близки к тройной эвтектике, легко могут образовывать плоский фронт кристаллизации, если ограничения, кото- рые создаются кинетикой фронта, малы Gж V ≥ mэ Pb(Cэ Pb – Cэ Pb) DPb – Bi – mл Sn(Cэ Sn – C0 Sn) DSn – Bi = = (–4,63)(32 – 27) 1,829⋅10–5 – (1,66)(22 – 35) 2,601⋅10–5 = = 4,39⋅105 оС/см2. Состав жидкой фазы при условии равновесия на границе раздела твердой и жидкой фаз опреде- ляется положением поверхности ликвидуса на ди- аграмме состояния. Концентрация компонента-рас- творителя в расплаве определяется в начале крис- таллизации, т. е. при охлаждении от T = 120 °С: Cж 120 = 1 mл Bi (Tпл 120 – Tпл Bi) = = 1 – 3,36(120 – 271) = 44,94 ат. % Bi. Концентрация компонента-растворителя при эвтектической реакции увеличивается: Cж 96 = 1 mл Bi (Tэ 96 – Tпл Bi) = = 1 – 3,36(96 – 271) = 52,08 ат. % Bi. Средний состав твердой фазы зависит от от- ношения Gж/V, соответственно концентрация ком- понентов в твердой фазе: Cm Sn = Cэ + DSn – BiCж mл SnV = 22 + 2,6⋅10–5⋅1,84⋅105 (–1,66) = = 22 – 2,88 = 19,12 ат. % Sn, Cm Sn = Cэ + DSn – BiCж mл SnV = 22 + 2,6⋅10–5⋅4,35⋅105 (–1,66) = = 22 – 6,80 = 15,2 ат. % Sn, Cm Pb = Cэ + DPb – BiCж mл PbV = 32 + 1,83⋅10–5⋅4,35⋅105 (–4,36) = = 32 – 1,72 = 30,28 ат. % Pb. По мере протекания процесса кристаллизации содержание растворенного компонента в твердой фазе постепенно повышается до значения (Cт/C0) = 1, что отвечает равновесному распре- делению растворенного компонента. Рассмотренный тип кристаллизации приводит к образованию кристаллов почти однородного состава по всей ширине соединения (по экспе- риментальным данным автора), кроме начальных и конечных переходных участков. Начальный пе- реходный участок образуется в тот период, когда содержание растворенного компонента в погра- ничном слое еще не достигло максимального зна- чения, которое отвечает постоянному (стационар- ному) режиму (рис. 3, а). Конечный участок кристаллизации паяного шва, т. е. середина шва (рис. 3, б) значительно меньше начального, поскольку она возникает в результате быстрого затвердевания последней порции расплава, сильно обогащенной растворен- ным компонентом. Таким образом, ширина этого участка определяется характеристическим рассто- янием (размером) пограничного слоя или отно- шением коэффициента диффузии к скорости роста 9/2006 35 кристалла Dж/V. Содержание растворенного ком- понента на конечном участке постепенно увели- чивается от C к Cэ при затвердении, причем при концентрациях, больших Cmax, паяный шов явля- ется двухфазным. Окончательная микроструктура сплава состоит из трех фаз: α, β, δ. α-Фаза составляет основную массу в микроструктуре, причем около 20 % этой фазы представляют собой первичные кристаллы, другая часть затвердевает в составе эвтектик (рис. 4). При отношении Gж/V, которое недостаточно большое для сохранения стойкости плоского фронта, ячейки или дендриты одной или двух фаз прорастают от фронта в жидкость. Металлографические исследования микрост- руктуры сплава системы Pb–Sn–Bi, выполненные автором, показали, что при довольно больших зна- чениях Gж/V также для сплавов, которые сущест- венным образом отличаются от эвтектических, были получены структуры, подобные эвтектическим. Та- кое явление выявлено для всех сплавов, за исклю- чением близких к эвтектическим; для таких сплавов уже малые значения Gж/V обеспечивают стойкость плоского фронта кристаллизации. Выводы 1. Определение условия устойчивости плоского фронта кристаллизации паяных швов расчетными методами. Характеристики, получаемые в резуль- тате расчета, позволяют регулировать техноло- ги- ческие условия пайки для повышения эксплуата- ционных характеристик паяных соединений. 2. Металлографический анализ паяных швов подтверждает соответствие результатов расчета характеру распределения образующихся в паяных швах структур. 1. Гуляев А. П. Металловедение. — 4-е изд. — М.: Оборон- гиз, 1963. — 460 с. 2. Флемингс М. Процессы затвердевания / Пер. с англ. — М.: Мир, 1977. — 424 с. 3. Хансен М., Андерко К. Структуры бинарных сплавов. — М.: Металлургиздат, 1962. — 1488 с. 4. Лариков Л. Н., Исайчев В. И. Диффузия в металлах и сплавах: Справ. — Киев: Наук. думка, 1987. — 509 с. Solidification is the final stage of formation of a braze weld and the conditions of its running determine the brazed joint performance. The paper gives the calculation procedure for determination of the conditions of producing a flat front of braze weld solidification on M1 copper, using a self-fluxing brazing filler metal based on a low-melting alloy of SnЦPbЦBi system and surfactants as fluxing components of the brazing composition. Поступила в редакцию 25.05.2006 Рис. 3. Микроструктура ( 8400) паяного шва, угольная реп- лика: а — начальный участок; б — середина Рис. 4. Микроструктура паяного шва ( 6400), угольная реп- лика 36 9/2006

Расчетная методика определения параметров кристаллизации паяных швов

Institution

Ähnliche Einträge