При образовании спаев взаимодействие на границе основной металл - расплавленный припой может приводить при затвердевании расплава к возникновению общих зерен. Такой тип кристаллизации связан с происходящим при пайке сплавлением зерен основного металла в результате снижения температуры плавления в ходе диффузионного насыщения его компонентами припоя. Такой вид спая наиболее характерен для пайки железа бериллием (рис. 31-33).
Рис. 31. Микроструктура шва при пайке армко-железа бериллием. Температура пайки 1350°С, выдержка 1 мин; Х125.
Рис. 32. Зона спая в галтельной части шва при пайке армко-железа бериллием; Х100.
Рис. 33. Микроструктура шва при пайке армко-железа бериллием. Температура пайки 1350°С, выдержка 1 мин; Х200.
Железо с бериллием образуют ограниченные твердые растворы и интерметаллические соединения. Эвтектики железо - бериллий имеют температуры плавления 1165°С при 8,3% бериллия и 1225°С при 75,4% бериллия.
Максимальная растворимость бериллия в феррите при эвтектической температуре составляет 6,5% по массе. Бериллию присуще образовывать при кристаллизации крупные столбчатые кристаллы.
Процесс пайки армко-железа бериллием успешно протекает в вакууме 5*10-4 мм рт. ст. при нагреве до температур 1300-1350°С.
В среде водорода и азота бериллий по поверхности армко-железа не растекается и в зазор не течет, несмотря на применение газовых атмосфер с высокой степенью осушки (-60° С) и очистки (содержание кислорода ниже 0,0002% по объему).
Микроструктура соединения характерна образованием по границе спая общих зерен и крупных зерен сплава бериллий-железо в шве. Зерна основного металла и зерна, образующиеся в зоне сплавления, растут от поверхности твердого паяемого металла.
Первоначальные границы основной металл - расплав припоя прослеживаются иногда в виде полос точечных скоплений примесей. Происхождение их связанo с неполным разрушением окисной пленки в процессе взаимодействия на границе железо - бериллий или с сегрегацией примесей на этой границе. Часто отдельные зерна прорастают поверхность спая, и таким образом возникает сплошной монолит.
При малых зазорах (менее 0,1 мм) наступает полное сращивание, линию спая в этом случае установить не удается. В галтельной части шва, там, где избыточное количество бериллия, общие зерна в зоне спая при малых выдержках не появляются. В контакте с основным металлом образуется обычная при кристаллизации на подложку зона спая.
Общие зерна в этом случае не формируются в связи с тем, что поверхностный слой основного металла (зерна железа) интенсивно растворяется в избытке бериллия. Дальнейшее взаимодействие расплава зоны сплавления с основным металлом протекает менее активно, насыщения зерен железа до их сплавления не достигается.
При кристаллизации рост зерен часто отчетливо ориентирован. Зерна преимущественно растут в направлении, перпендикулярном к поверхности основного металла, что главным образом связано с направлением теплоотвода.
Иногда ориентированность зерен возникает и на поверхности основного металла, смоченного бериллием. Зерна железа на границе с зоной сплавления ориентированы в этом случае под углом приблизительно 45-60° к поверхности основного металла.
Это наиболее характерно проявляется в галтельной части шва, где имеется избыток бериллия по сравнению с капиллярной частью шва. Вдали от границы шов - основной металл зерна имеют относительно равноосную форму. С увеличением времени выдержки при пайке ориентированность зерен в направлении, перпендикулярном к поверхности основного металла, исчезает.
Одновременно процесс взаимодействия между железом и бериллием усиливается, увеличивается размер зерен, они становятся более равноосны. Происходит сращивание отдельных зерен, в результате чего зона спая оказывается не по границам зерен, а в объеме отдельных зерен.
Замер микротвердости показал, что если с увеличением выдержки при температуре пайки твердость основного металла снижается, то твердость зоны сплавления возрастает, причем наибольшая твердость наблюдается в центральной части зоны сплавления (рис. 34). Последнее связано с образованием интерметаллидов в зоне шва, более богатых бериллием.
Рис. 34. Распределение микротвердости по ширине шва при пайке армко-железа бериллием:1 - выдержка при пайке 1 мин; 2 - выдержка после пайки при 1250°С 1 ч.
Согласно исследованиям поверхностных слоев армко-железа и сталей, насыщаемых при температурах 1000-1150°С бериллием, установлено, что диффузия бериллия в стали начинает заметно идти при 800° С, при 1150°С происходит сплавление зерен основного металла. На границе низкоуглеродистая сталь - бериллий при 1000°С одновременно идут два процесса:-
1) диффузия бериллия в сталь, что вызывает γ - а-перекристаллизацию и появление кристаллов а-фазы, ориентированных в направлении диффузии;
2) диффузия углерода из стали в бериллий, что вызывает обеднение поверхностных слоев стали углеродом.
Взаимодействие бериллия с углеродом приводит к образованию карбида бериллия, имеющего высокую твердость.
При охлаждении насыщенных бериллием образцов происходит выпадение из пересыщенного раствора бериллия в а-железе интерметаллических соединений - бериллидов, что сопровождается повышением твердости.