Металлургические особенности 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 80—100°С 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°С. 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°С и последующем быстром охлаждении. Однако эта термообработка не является пригодной для паяных узлов. Другой стабилизирующей термообработкой, при которой невыделившиеся хромовые образования разгоняются (диспергируются) по всему объему, является нагрев до 870°С в течение 2 часов, затем охлаждение в печи до 540°С 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.