Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
4) диффузия в твердой фазе в процессе термообработки паяного соединения или охлаждения после пайки.
Первая стадия характерна взаимным прониканием атомов основного метала и припоя при нагреве до температуры пайки. Она зависит от интенсивности процесса флюсования, наличия контакта основного металла и твердого припоя, температуры и времени нагрева. Диффузия в твердой фазе активно протекает при образовании контактно-реакционного спая, а также растворно-диффузионного, когда припой применяется в виде гальванического покрытия, слоя плакирования или напыления.
С момента возникновения жидкой фазы в шве ведущим процессом является растворение основного металла
206
в расплаве припоя и диффузия его в жидкости, в результате чего состав жидкой фазы меняется и приближается к равновесному в соответствии с диаграммой состояния.
После образования в шве жидкого раствора в соответствии с диаграммой состояния повышается роль диффузии из жидкости в твердую фазу, в результате чего состав твердой фазы (основного металла) на границе основной металл — зона сплавления также приближается к равновесному. Образовавшийся первоначально на границе основной металл — зона сплавления твердый раствор обедняется припоем вследствие диффузии в объем основного металла, и концентрация его на границе спая становится меньше равновесной. Стремление системы основной металл — зона сплавления к равновесию при данной температуре приводит к дальнейшей диффузии атомов припоя из жидкости, а поскольку жидкость при этом пересыщается основным металлом, то на поверхности основного металла происходит выделение твердого раствора, что приводит к перемещению межфазной границы и к заращиванию соединительного зазора. Состав твердого раствора, выделяющегося при изотермической кристаллизации, в шве зависит от температуры пайки. Чем она выше, тем твердый раствор более обогащен основным металлом и, следовательно, имеет более высокие механические свойства и температуру плавления. Исходя из этих соображений, процесс изотермической кристаллизации (до полного отвердевания зоны сплавления при температуре пайки) целесообразно вести при условиях, которые обеспечивали бы выделение на подложку твердого раствора, наиболее обогащенного основным металлом.
Диффузионные процессы в твердом состоянии имеют особое значение при диффузионной пайке, когда необходимо повысить прочность соединения. При этом происходит в той или иной степени диффузионное выравнивание состава шва.
Диффузия в многокомпонентных системах. В тех случаях, когда основной металл и припой являются сплавами сложного состава, диффузия отдельных компонентов основного металла и припоя носит избирательный характер. Так, при пайке стали Ст. 3 припоем на основе железа, выплавленным из чистых от углерода компонентов, образование диффузионной зоны происходит вслед-
207
ствие диффузии углерода из стали к границе основной металл — зона сплавления. При этом основной металл в зоне, примыкающей к диффузионной, обедняется углеродом.
Диффузионная зона при пайке сталей медью характерна прониканием по границам зерен железа жидкой меди, которая усиливает диффузию и в объеме зерен. Глубина проникания припоя в основной металл зависит от времени выдержки при температуре пайки. На рис. 64 изображены кривые распределения меди в диффузионной зоне при пайке железа при температуре 1100° С с выдержкой 1 и 60 мин. Максимальная концентрация ме-
Рис. 64. Распределение меди в диффузионной зоне шва при пайке железа медью:
1 — выдержка при температуре пайки 1 мип‘, 2 — выдержка 60 мин
ди в диффузионном слое в этом случае, определенная методом микрорентгеноспектрального анализа, составила 8%, что близко к равновесному состоянию при данной температуре. Как видно из рисунка, с увеличением времени выдержки не только диффузия меди распространяется на большую глубину, но соответственно’ и максимальное содержание диффундирующего элемента в диффузионном слое увеличивается [8].
При пайке медью малоуглеродистых сталей смачивание их расплавом меди вызывает диффузию углерода в слои стали, насыщенные медью. Скорость диффузии углерода в железе очень велика, она на несколько поряди
208
ков выше, чем меди. Вследствие этого концентрация углерода в слоях стали, обогащенных медью, происходит с большой интенсивностью [9].
С повышением содержания углерода в сталях, т. е. при переходе от малоуглеродистых к высокоуглеродистым сталям, проникание меди по границам зерен аусте-нита уменьшается. Ширина диффузионной зоны с повышением содержания углерода вначале несколько возрастает, затем снижается. Влияние содержания углерода в
Рис. 65. Влияние содержа- Рис. 66. Зависимость глубины
ния углерода в стали на диффузии в стали припоев си-
глубину проникания меди стемы медь — цинк — никель от
по границам зерен основно- содержания в них олова
го металла (/) и ширину диффузионной зоны (2).
Температура пайки 1165° С, выдержка 5 мин
стали при пайке в вакууме 1,33 • 10~2 н/м2 (1СН мм рт. ст) на глубину проникания меди по границам зерен основного металла и ширину диффузионной зоны показано на рис. 65 [10].
