Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
dG — adSp. (IV.30)
Проинтегрировав при постоянных объеме, давлении и температуре, будем иметь
G=*Sp
или, если поверхностное натяжение не зависит от величины поверхности раздела,
а = -?- . (IV.31)
Так как свободная энтальпия зависит от состава, температуры и давления, то коэффициент поверхностного (межфазного) натяжения также будет зависеть от изменения этих величин.
Из соотношения (IV.31) следует, что коэффициет поверхностного натяжения на границе раздела фаз численно равен свободной энтальпии, отнесенной к единице поверхности, если обе эти величины выражены в одинаковых единицах.
Поскольку наиболее устойчива система с наимень-
шим значением свободной энтальпии, то любой процесс, вызывающий уменьшение межфазного натяжения на границе раздела фаз или сокращение поверхности раздела фаз будет идти самопроизвольно.
157
При пересечении границы раздела фаз (рис. 43) система будет стремиться принять такое положение, когда свободная энтальпия ее будет наименьшей. Это будет выражаться в уменьшении протяженности границы раздела. В положении равновесия
где Oi,2, oi,3, сг2,з — коэффициенты поверхностного натяжения фаз, имеющих общие границы.
Соотношения (IV.32) и (IV.33) справедливы для жидких тел. Для твердых тел необходим учет кристаллографической ориентации границ раздела, поскольку в твердых телах существуют не только силы, направленные вдоль границ, но и угловые силы, поворачивающие границы раздела в такое положение, при котором система будет в равновесии. Поэтому уравнение, учитывающее зависимость поверхностного натяжения от кристаллографической ориентации границы раздела твердых тел, будет иметь вид:
Это выражение обращается в уравнение (IV.33), когда коэффициент поверхностного натяжения не является функцией кристаллографической ориентации границы раздела, т. е. при применении его для жидкостей.
Поверхность раздела фаз представляет собой переходный слой, толщина и состав которого определяются химическим и геометрическим несоответствием фаз. Различие в составах фаз является причиной химического несоответствия. Геометрическое несоответствие зависит от различий в структуре и параметрах кристаллических решеток. Толщина и состав поверхности раздела определяются конфигурацией, при которой свободная энтальпия наименьшая. Для упорядоченных растворов изменение состава изотропных фаз аир бинарного раствора компонентов А и В на поверхности раздела представлено на рис. 44, где I — эффективная толщина поверхности раздела (пограничного слоя).
СТ1,2 _____ °1,3 _____ а2,3
(IV.32)
или
(IV.33)
158
На толщину и состав поверхности раздела большое влияние оказывают примеси, содержащиеся во взаимодействующих фазах и температурах. Примеси, понижающие коэффициент поверхностного натяжения, адсорбируются на границе раздела и, таким образом, увеличивают ее толщину. Если примесь повышает коэффициент поверхностного натяжения, то она будет удаляться с поверхности раздела. С повышением температуры толщина пограничного слоя увеличивается.
V. 5
Рис. 43. Схема сил, действующих вдоль границы раздела фаз
¦
Оэ
О;
§
?
Расстояние
Рис. 44. Состав фаз а и [3 вблизи поверхности раздела фаз:
I — эффективная толщина поверхности раздела
При пайке поверхность раздела, возникающая между основным металлом и припоем, определяется природой взаимодействующих металлов, режимом и условиями пайки.
§ 14. СМАЧИВАНИЕ И РАСТЕКАНИЕ
Для образования спая необходимо, чтобы при температуре пайки расплавленный припой смачивал основной металл.
Повышение температуры пайки улучшает условия смачивания и ускоряет процессы взаимодействия припоя с основным металлом. Однако это может привести к структурным изменениям в основном металле вследствие выделения эвтектических, карбидных и других составляющих, а также снижению механических и коррозионных свойств соединения. Изменения эти особенно заметны при пайке закаленных сталей, нагрев которых выше темпе-
159
ратур высокого отпуска резко снижает прочность. Высокотемпературный нагрев усиливает также процессы растворения основного металла в расплавленном припое, что может вызвать образование в шве хрупких структур и ослабить связь в основном металле по границам зерен. Кроме того, при высоких температурах может происходить выгорание легирующих компонентов и изменение состава основного металла и припоя. По этим причинам температуру пайки обычно принимают не более чем на 30—50° С выше температуры плавления припоя. Однако в отдельных случаях для того, чтобы обеспечить смачивание, требуется значительный перегрев.
Таблица 28
Условия смачивания армко-железа металлами, имеющими по сравнению с иим более низкую температуру плавления
Си _ са O.U Режим пайки
Припой Температу плавления, Температу кипения, 0 температура, °С | выдержка, мин среда Перегрев, °С
Кобальт 1492 2250 1490 0,5 Водород
Никель 1453 >2140 1470 0,5 » 27
Кремний 1415 >2360 1460 0,5 > 45
Бериллий 1284 2470 1350 1,0 0,067 к/^2 (5х Х10~4 мм рт. ст.) 66
Марганец 1250 2150 1264 1,0 Водород 14
Медь 1083 2600 1150 1,0 67
Золото 1063 2850 1100 1,0 37
