Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, различия между существующими разновидностями пайки, кроме контактно-реакционной, связаны, главным образом, со способами введения в зазор припоя, температурой процесса и временем выдержки при этой температуре. Физико-химическая же сущность процесса образования соединения, осуществляемого по любому из указанных методов, одна и та же — взаимодействие расплавленного припоя с основным металлом, характер которого определяется соотношением их свойств, режимом и условиями процесса пайки. Этот признак и положен, как увидим ниже, в основу классификации пайки.
Начальная стадия образования паяного соединения в результате взаимодействия основного металла с расплавом припоя в общем случае (при наличии растворимости между ними) показана на рис. 1 *. В исходный момент взаимодействия образование раствора основного металла в расплаве припоя наблюдается только в узких слоях, непосредственно примыкающих к поверхности твердого металла. Зоны взаимодействия в этом случае
* При высокотемпературной пайке образование в шве сплава, по составу соответствующего точке пересечения изотермы температуры пайки с линией ликвидуса диаграммы состояния взаимодействующих металлов, происходит в течение нескольких секунд. Для формирования диффузионных зон требуются значительно большие выдержки. На рис. 1 диффузионные зоны, наряду с существованием расплава припоя в исходном состоянии, показаны условно.
9
Основной
металл
Диффузионная ^ зона
¦5
О
?
е
а
%
а
ЛЬ
<3j
о
Cj
Расплав
припоя
представляют собой две прослойки, между которыми находится припой в первичном состоянии. Последующее взаимодействие на границе основной металл — расплав припоя при температуре пайки приводит к дальнейшему
растворению основного металла и образованию между ними сплава во всем объеме жидкого металла, находящегося в соединительном зазоре. Охлаждение расплава приводит к выделению из него на поверхность основного металла избыточного компонента.
В процессе пайки в результате диффузии компонентов припоя в основной металл, а также диффузии отдельных компонентов основного металла в зону шва образуются диффузионные зоны. Возникшие при температуре пайки зоны в процессе охлаждения претерпевают различные измене-
ния, в результате которых образуется паяный шов; наиболее типичная микроструктура шва представлена на рис. 2. Руководствуясь им, можно дать определение основным элементам паяного соединения.
Спай— переходный слой, образующийся в результате смачивания при температуре'пай-ки и последующего взаимодействия на границе основной металл — расплав припоя. Если при температуре пайки переходный слой не образовался, то спая между основным металлом и припоем не будет. В зависимости от природы взаимодействующих металлов и условий пайки' состав и строение спая могут быть различными.
Зона сплавления — прослойка сплава, заключенная между соединяемыми деталями, образующаяся в резуль-
Диффцзионная
зона
Основной
металл
Рис. 1. Схема строения шва в начальный момент образования зоны сплавления
10
Тате взаимодействия жидкого припоя с основным металлом и последующей кристаллизации.
Слой изотермической кристаллизации — прослойка постоянного состава, образующаяся при температуре пайки в результате выделения из расплава зоны сплавления на подложку твердой фазы.
Рис. 2. Микроструктура соединения при пайке стали Ст. 3 припоем ВЗМИ-49 в атмосфере водорода; Х70
1 —¦ основной металл; 2 — прикристаллизованные слои; 3 — диффузи* онные зоны; 4 — зона сплавления
П рикристаллизованный слой — прослойка переменного состава, образующаяся при затвердевании зоны сплавления в результате выделения на подложку избыточной фазы.
Диффузионная зона — граничащий с зоной сплавления слой основного металла, образовавшийся в результате диффузии компонентов припоя и основного металла.
Паяный шов — элемент паяного соединения, включающий зону сплавления и диффузионные зоны.
Паяное соединение — элемент паяного изделия, включающий паяный шов и прилегающие к нему участки основного металла.
§ 2. КИНЕТИКА ОБРАЗОВАНИЯ СПАЯ
Для образования спая, т. е. возникновения связи в контакте основной металл — припой, требуется определенный комплекс физико-химических и технологических
11
условий: наличие сродства основного металла с выбранным припоем, соответствующий состав среды, нагрев соединяемых поверхностей и т. д. Исходя из этого, процесс образования спая условно можно разграничить на три стадии:
1) удаление окисных пленок и активация поверхности;
2) взаимодействие на границе основной металл — жидкий припой;
3) кристаллизация.
Конструкционные металлы, с которыми приходится иметь дело при производстве паяных изделий, представляют собой поликристаллические тела, состоящие из различно ориентированных кристаллитов или зерен, которые не однородны и состоят из кристаллических блоков размерами 10—5-=-10-3 см [9]. Блоки разориентированы на малые углы, образуя мозаичную структуру зерна. Кристаллы металлов имеют различные дефекты решетки: дислокации, вакансии, дислоцированные атомы. Наличие различных искажений в кристалле повышает его энергию. Лишняя плоскость в случае краевой дислокации или сдвиг решетки при винтовой дислокации вызывают смещение ионов из мест с наименьшим запасом потенциальной энергии, следствием чего является возникновение избыточной энергии по сравнению с регулярной решеткой. Неоднородность кристаллов, наличие на них мест выхода различных дефектов являются причиной избирательной активности, так как места выхода дефектов обладают повышенным химическим потенциалом [10].
