Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
tp = t0f''W'2Sr, (1.5)
где to — постоянная, имеющая размерность времени; е — постоянная, учитывающая пик межфазной энергии;
18
Qt> Qm — энергии активации диффузии элементов соответственно твердого основного металла и расплавленного припоя; R — газовая постоянная; Т—абсолютная температура.
В тех случаях, когда продолжительная выдержка не приводит к ухудшению прочностных характеристик спая, время контактирования основного металла с расплавом припоя может быть увеличено.
Поскольку процесс пайки осуществляется при температурах, превышающих точку плавления припоя, а расплавленный металл зоны сплавления характеризуется ближним порядком *, то атомы жидкости, попадая в сферу действия ионов, находящихся в узлах решеток основного металла, распределяются на его поверхности в определенном кристаллографическом порядке. В результате взаимодействия по границе спая образуется слой, который осуществляет связь твердого металла с расплавом зоны сплавления. Увеличение продолжительности нагрева усиливает подвижность атомов, между которыми легче достигается контакт, а диффузионный обмен между атомами, если при этом не происходит образования хрупких фаз, приводит к упрочению возникших связей.
Если условия пайки благоприятны для развития растворно-диффузионных процессов, то с увеличением температуры и времени выдержки диффузионное размывание границы раздела основной металл — припой в предельном случае может привести к ее полному исчезновению, как это происходит при контакте двух смешивающихся жидкостей.
Следует отметить, что соединение металлов в твердом состоянии, например, при диффузионной сварке осложняется наличием микрорельефа и связанной с этим трудностью обеспечения контакта по площади. Пайка в этом отношении менее зависима от геометрии соединяемых поверхностей, поскольку расплавленный припой создает непрерывный металлический контакт. Кроме того, жидкая прослойка расплавленного припоя, находящаяся между соединяемыми поверхностями основного металла,
* Ближним порядком называется упорядоченное относительное расположение (или взаимная ориентация в жидких кристаллах) соседних частиц жидкости внутри малых ее объемов.
19
вызывает стягивание их со значительным усилием [21, 22].
Так, по Лапласу, сила F, стягивающая две соединяемые пайкой поверхности, смоченные припоем, определится из соотношения:
(1.6)
где р — давление; S — площадь; о — коэффициент поверхностного натяжения; г\ — наименьший радиус слоя, образованного каплей при смачивании; г2 — радиус мениска.
[¦ 1
ч А 7
С 1
Jn л
Рис. 3. Схема к расчету стягивающей силы, возникающей при смачивании припоем соединяемых пайкой поверхностей
Расчет по данной формуле показывает (рис. 3), что при температуре пайки, например, сталей медью сг = = 1,351 н/м (1351 эрг/см2) при зазоре х = 0,1 мм и радиусе растекшейся капли 10 мм стягивающая сила составит около 1 кГ. Наличие стягивающего усилия способствует интенсификации процесса смачивания и капиллярного течения припоя в зазоре.
Смачивание расплавленным припоем основного металла сопровождается растворением его в жидкой фазе и диффузией припоя в основной металл. Образование в связи с этим твердого раствора в диффузионной зоне почти всегда сопровождается изменением периода решетки. В системах основной металл — припой: медь — цинк, медь — галлий, медь — германий, серебро — кадмий, серебро — индий, серебро — олово, решетки меди и серебра растягиваются растворенными элементами. В системах серебро — цинк, серебро — галлий, наоборот, решетка оказывается сжатой [23]. Возникновение в связи с этим собственных напряжений в зоне спая может вызвать
20
образование трещин в паяных швах, что должно учитываться при выборе припоя. Иногда наибольшие напряжения возникают на границе слой прикристаллизации — центральная часть зоны сплавления, вследствие значительного различия коэффициентов теплового расширения и наличия разницы в удельных объемах сосуществующих фаз этих зон. На рис. 4 показана микроструктура соединения никеля при пайке германием, из которой можно ви-
Рис. 4. Трещины в шве при пайке никеля германием, Х400
деть, что в результате собственных напряжений образовались трещины на границе прикристаллизованногослоя (твердый раствор на основе никеля) и центральной части зоны сплавления.
Таким образом, процесс взаимодействия между основным металлом и припоем при образовании спая условно можно рассматривать как трехстадийный. В итоге первой стадии взаимодействия образуется физический контакт, который выражается в смачивании расплавом припоя основного металла. Вторая стадия характерна развитием химического взаимодействия между основным металлом и расплавом припоя и образованием прочных связей. На этой стадии фактически заканчивается процесс образования спая, однако на границе основной металл — зона сплавления протекают процессы релаксационного характера, приводящие часто к снижению прочности из-за рекристаллизации или образования прослоек хрупких фаз вследствие гетеродиффузии * или реак-«ционной диффузии. Иногда эти процессы приводят к
