Чернение металла востребовано в различных сферах производства, однако чаще всего используется для декоративных целей в ювелирном деле и различных ремеслах.
Оцинковка металла является наиболее простым и дешевым способом его защиты от образования ржавчины. Наиболее популярным является метод горячей оцинковки.
Качество паяного шва, как мы увидим ниже, в значительной мере зависит от прочности связи припоя с металлом основы. Смачивание твердой металлической поверхности расплавленным металлом свидетельствует о том, что между атомами припоя и атомами основы проявляется энергетическое взаимодействие, возникает межатомная связь. Однако для получения качественной пайки необходимо, чтобы эти связи сохранились и после закристаллизования припоя.
При смачивании металла основы расплавленным припоем, последний вступает в физико-химическое взаимодействие с основным металлом. Характер этого взаимодействия весьма сложен, однако в основе его лежат три главнейших процесса:
1) растворение металла основы в расплавленном припое с образованием жидкого раствора, обычно распадающегося при последующей кристаллизации;
2) диффузия составляющих припой элементов в металл основы с образованием твердого раствора;
3) реакция (реактивная диффузия) между припоем и металлом основы с образованием на границе химических (интерметаллических) соединений.
Кинетика перечисленных выше процессов определяется составом припоя и металла основы, соотношением температур плавления их, длительностью процесса пайки и, главное, характером диаграмм состояния систем элементов, входящих в состав припоя и паяемой основы. Тип диаграммы состояния в конечном итоге определяет структуру паяного шва.
Если наиболее легко и быстро идет процесс растворения металла основы в расплавленном припое, то при паянии припой постепенно насыщается растворяющимся в нем металлом. Температура начала кристаллизации припоя при этом может значительно повыситься, и при температуре паяния в расплавленном припое может образоваться твердая фаза, представляющая собой какое-либо химическое соединение между элементами, входящими в состав паяемого металла и припоя. При охлаждении припоя начинается кристаллизация наиболее тугоплавких соединений, образованных металлом основы и припоем. Так как охлаждение паяного шва чаще всего идет от основного металла, кристаллизующиеся первыми соединения выпадают у границы между припоем и основой.
Состав выпадающей при этом фазы определяется характером диаграммы состояния; состав этой фазы будет зависеть от температуры, при которой ведется пайка, и степени насыщения припоя металлом основы. Зная диаграмму состояния взаимодействующих металлов и температуру, при которой произошло насыщение припоя металлом основы, можно легко установить как количество растворившегося металла, так и состав выпадающих при кристаллизации фаз.
В том случае, когда металл припоя хорошо растворим в металле основы в твердом состоянии, при паянии обычно преобладает процесс диффузии одного или нескольких элементов, входящих в состав припоя, в металл основы. В этом случае в слое металла основы, непосредственно контактирующем с расплавленным припоем, возникает зона твердого раствора металла припоя в основе. Состав этого твердого раствора будет лежать на диаграмме состояния наиболее близко к металлу основы. Толщина зоны твердого раствора будет определяться законами диффузии.
Если металлы, входящие в состав припоя и основы, могут в соответствии с диаграммой состояния образовывать между собой химические (интерметаллические) соединения, то, между этими металлами на границе раздела «припой — основа» возникает непосредственная химическая реакция. В этом случае невозможно определить по характеру диаграммы состояния состав фазы, образующейся первой.
В результате описанных выше процессов физико-химического взаимодействия между припоем и металлом основы на границе между ними чаще всего обнаруживается промежуточный слой химических соединений. Постоянное обнаружение этого промежуточного слоя породило мнение, что для обеспечения хорошей связи припоя с основой обязательно необходимо образование промежуточных соединений. Однако детальные исследования многих пар металлов показывают, что прочное сцепление припоя с основой возможно и в том случае, если между ними не образуется каких-либо химических соединений.
Если два кристалла совместить точно по однородным металлическим плоскостям на величину межатомного расстояния в кристаллической решетке, то они должны бы были слиться в единый кристалл без границы раздела. При разведении кристаллических плоскостей более чем на 2 межатомных расстояния связь между ними, по-видимому, нарушается; однако некоторое смещение металлических ионов из положения равновесия без разрушения кристаллической решетки все же возможно.
При пайке стали серебром или кадмием не образуется растворов ни в жидком, ни в твердом состоянии; на шлифах не видно ни растворения, ни диффузии; отчетливо видны следы механической зачистки поверхности стали перед пайкой; однако прочность паяных соединений и в этом случае весьма высокая. Таким образом, для возникновения металлических связей, по-видимому, необходимо лишь сближение атомов металлического расплава с атомами кристаллической решетки поверхности твердого металла. Но поверхность металла не имеет однородного строения: присутствующие на ней различного рода включения, окисные пленки и дефекты препятствуют возникновению одинакового контакта атомов двух металлов по всей поверхности. Поэтому соприкасаются они не по всей площади, и прочность связи их может быть значительно меньше прочности припоя.
При наличии диффузии происходит взаимное проникновение атомов одного металла в решетку другого, площадь соприкосновения увеличивается и прочность связи возрастает. Кроме того, следует помнить, что растворение основы в припое очищает поверхность ее, открывает свежие плоскости кристаллической решетки, на которых и происходит последующая адгезия атомов расплава. Но вместе с тем реактивная диффузия часто приводит к образованию хрупких промежуточных соединений, а это, наоборот, вызывает ослабление связи. Таков противоречивый характер процессов, происходящих при паянии.
По нашему мнению, связь припоя с основой по своей природе имеет много общего с формой связи, существующей на границе между соседними кристаллитами в куске металла. Несмотря на слабую изученность вопроса о механизме связи отдельных, различно ориентированных кристаллитов в единое механически прочное целое, можно считать наиболее вероятным, что сопряжение решетки одного кристаллита с решеткой соседнего осуществляется через переходную зону с полуупорядоченным распоряжением атомов. Сходное положение, видимо, существует на границе раздела между паяемым металлом и припоем.
Если припой и паяемый металл имеют одинаковую основу или если паяемый металл сильно растворяется в припое, то при кристаллизации последнего может выделяться фаза, аналогичная уже имеющейся в паяемом металле. В этом случае кристаллизующаяся из припоя фаза может расти непосредственно на кристаллитах аналогичной фазы, имеющейся в паяемом металле. Пример этого можно наблюдать при пайке меди латунью Л-62; в этом случае выходящие на поверхность кристаллиты меди как бы навязывают свою ориентировку кристаллизующейся а-фазе, и последняя продолжает зерна меди внутрь слоя припоя.
Выше мы говорили, что интерметаллические соединения, образующиеся на границе раздела между паяемым металлом и припоем, обладают повышенной хрупкостью; поэтому при большой толщине слоя этих соединений прочность спая значительно понижается. Толщина слоя промежуточных соединений зависит главным образом от температуры паяния и времени соприкосновения паяемого металла с расплавленным припоем. Следовательно, для того чтобы получить высокую прочность паяного соединения, необходимо паяние вести быстро и при минимальной температуре, при которой еще возможно паяние данным припоем.
Часто во время осуществления сварки или пайки металлов и их сплавов возникают неожиданные проблемы. О многих из них мы и поговорим в разделе «вопросы и
ответы»
Эмалирование металлов – технология, которая позволяет наносить на поверхность изделий из стали специальный защитный слой, отличающийся великолепными эстетическими
свойствами.
Качество паяного шва, как мы увидим ниже, в значительной мере зависит от прочности связи припоя с металлом основы. Смачивание твердой металлической поверхности расплавленным металлом свидетельствует о том, что между атомами припоя и атомами основы проявляется энергетическое взаимодействие, возникает межатомная связь. Однако для получения качественной пайки необходимо, чтобы эти связи сохранились и после закристаллизования припоя.
