Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
127
В процессе образования окисных плеИок закон Их роста может быть различным, что в значительной степени зависит от соотношения объема окисла V0K и объема металла Уме, из которого он образовался (табл. 22).
Таблица 22
V0K
Значения отношения —----------для некоторых металлов
Me
Наименование металла Химический знак V0K Наименование металла Химический знак Кок
VMe KMe
Литий Li 0,57 Алюминий А1 1,38
Натрчй Na 0,58 Олово Sn 1,31
Магний Mg 0,85 Вольфрам W 3,50
Кальций Са 0,69 Кобальт Со 1,78
Барий Ва 0,71 Никель Ni 1,64
Медь Си lr, 71 Железо Fe (FeO) 1,78
Цинк Zn 1,57 « Fe (Fe203) 2,10
Кадмий Cd 1,19
Металлы, у которых отношение объема У0к к объему металла Уме, из которого образовался окисел, меньше единицы, т. е.
образуют пористые окисные пленки, обладающие слабыми защитными свойствами. Для таких металлов скорость роста окисной пленки определяется линейным законом:
-^-=К, (III.23)
dx
где у — толщина пленки; т — время окисления; К — константа.
Или после интегрирования.
у = Кх + А,
где А — постоянная интегрирования, характеризующая толщину пленки в начальный момент окисления.
128
¦
Таким образом, для металлов, не образующих при окислении защитной пленки, скорость роста окисной пленки пропорциональна времени окисления. Следует иметь в виду, что линейный закон роста устанавливается через некоторое время после начала окисления, когда пленка достигнет некоторой критической величины. Линейный характер роста окисной пленки наблюдается для щелочных и щелочноземельных металлов, а также таких металлов, как ванадий, молибден, вольфрам, образующих окислы, легко испаряющиеся при нагреве.
Металлы, для которых —— > 1, при окислении обра-
^Ме
зуют сплошной слой окисной пленки. В этом случае с ростом пленки процесс диффузии через нее тормозится и дальнейший рост ее постепенно замедляется. Для таких металлов рост пленки происходит по параболическому закону:
у*=Кт + А. (III.24)
Параболическая зависимость наблюдается при окислении железа, меди, никеля. Как и в случае линейной зависимости, параболический закон не соблюдается для начальных стадий окисления, когда пленка еще тонка.
В ряде случаев наиболее правильно рост окисной пленки описывает зависимость
уп — Кх, (III.25)
где показатель п может иметь значения и больше, и меньше двух, но всегда больше единицы. В частном случае п может быть равно трем (кубическая парабола).
Для некоторых металлов наблюдается логарифмический закон роста окисной пленки:
у=\пКх. (III.26)
Скорость роста окисной пленки в этом случае определится из соотношения
= —, (III.27)
dx еу
где е — основание натуральных логарифмов.
5—3451 129
При окислении на воздухе логарифмический закон роста окисной пленки установлен экспериментально: для железа в интервале температур до 375° С, для меди до 100° С, для никеля до 650° С, для алюминия и цинка от
25 до 225° С. Логарифмический закон наиболее характерен в случае окисления металлов при низких температурах.
Как уже отмечалось, скорость роста пленки зависит от температуры. С повышением ее скорость увеличивается. Зависимость скорости роста толщины пленки от температуры может быть выражена уравнением
^L = Ae~W, (III.28)
где Q — энергия активации процесса; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.
Пленки, образующиеся на металлах в результате окисления, делятся на тонкие, средние и толстые. Тонкими принято считать невидимые пленки от мономоле-кулярных до 400 А, средними от 400 до 5000 А и толстыми выше 5000 А (0,5 мкм).
Для осуществления процесса пайки металлов большое значение имеет не только толщина, но и свойства окисных пленок. При одних и тех же толщинах прочность связи пленки с основным металлом значительно усиливается, если произойдет внутреннее окисление металла под слоем пленки. С другой стороны, способность окисной пленки взаимодействовать при нагреве с основным металлом, а также с расплавленным припоем, положительно влияет на характер протекающих при пайке процессов. Так, некоторые окислы, например, железа, титана, способны образовывать с металлами ограниченные твердые растворы, что облегчает их удаление. Плотные, прочно связанные с металлом пленки с трудом удаляются с поверхности металла, осложняя процесс пайки. Чем менее компактна окисная пленка, чем слабее ее связь с металлом, чем менее устойчива она при нагреве, тем меньше затруднений возникает в процессе удаления ее при пайке.
Взаимодействие водорода с металлами. Насыщение металла водородом возможно как в процессе подготовки к пайке, так и непосредственно при пайке. Растворе-
130
ние водорода в металле происходит при его плавке, обработке давлением, термообработке, травлении, нанесении гальванических покрытий и т. д. В основном металле и припое растворяется водород, содержащийся в искусственных газовых средах, а также водород, образующийся в результате диссоциации паров воды. Вода может присутствовать в виде паров в окружающей газовой среде, адсорбированной влаги на поверхностях нагревательных устройств, соединяемых металлов и припоя, в паяльных флюсах в виде кристаллизационной воды, входящей в структуру кристаллов, и конституционной, входящей в состав соединений.
