Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Если в процессе диффузии между основным металлом и припоем образуется одно или несколько интерметаллических соединений в виде слоев, то каждый из слоев растет с различной скоростью. Закон роста диффузионных слоев может быть выражен математически. В том случае, когда в пределах отдельного слоя происходит линейное падение концентрации и разность концентраций на границах слоя А С при данной температуре постоянна, выражение первого уравнения диффузии примет вид
dm=-DS ~dt, (V.1I)
AT
где S — площадь элемента, в перпендикулярном направлении к которому происходит диффузия; —----падение
л:
концентрации вдоль слоя толщиной х\ dt — время диффузии.
С другой стороны, если считать концентрацию на границе слоя постоянной, то можно принять приращение толщины слоя интерметаллического соединения пропорциональным количеству продиффундировавшего вещества, т. е.
dm = aSdx, (V.I2)
где а — коэффициент пропорциональности, по размерности отвечающий концентрации вещества; dx—приращение толщины слоя.
213
Приравнивая правые части этих равенств, получим
D —- dt=adx,
х
или
(V.I3)
Поскольку величины D, АС и а при данной температуре постоянны, обозначим
Следовательно, при реакционной диффузии толщина слоя интерметаллического соединения в зависимости от времени пайки увеличивается по параболическому закону. Параметр параболы р характеризует скорость роста и является величиной, пропорциональной коэффициенту диффузии, с которым он совпадает и по размерности.
Состав и толщина слоя интерметаллида зависят от природы взаимодействующих металлов, температуры пайки, времени выдержки и скорости охлаждения после пайки. В системах Fe — Sn, Си — Cd слой интерметаллида обнаруживается только под микроскопом. В системах Fe — AI, Ag — Zn он виден невооруженным глазом. По составу интерметаллид всегда отвечает соединению, наиболее богатому легкоплавким компонентам [11].
Возникновение по границе основной металл — припой двух и более слоев интерметаллидов связано с взаимодействием первично образовавшегося слоя с основным металлом, припоем или с их сплавом. Несколько слоеч интерметаллидов по границе основной металл — зона сплавления может быть в том случае, если основной металл и припой дают два или более интерметаллических соединения. На количество слоев интерметаллидов большое влияние оказывает скорость охлаждения соединения после пайки. При быстром охлаждении число слоев часто ограничивается одним. Если основной металл и припой , дают несколько интерметаллидов, то последовательность
D— = p = const,
а
тогда
х2—2 pt.
(V.14)
214
их возникновения зависит от условии равновесия между образующимися фазами и расплавом припоя. Первой появляется фаза, более богатая легкоплавким компонентом припоя и находящаяся при данной температуре в равновесии с ним. Возникновение остальных фаз происходит в результате взаимодействия первичной фазы с основным металлом. Если на границе основной металл— припой протекает непосредственная химическая реакция, то фаза, возникающая первой, не является наиболее легкоплавкой в данной системе, т. е. не находится в равновесии с расплавленным припоем, и природа ее уже не определяется условиями равновесия. Основную роль в этом случае начинают играть другие факторы и, в частности, теплота образования соединения.
Интерметаллиды обладают высокой хрупкостью, поэтому наличие в паяных соединениях интерметаллидных прослоек ведет к снижению прочности паяных изделий. Для предупреждения появления в паяных швах интерметаллидных прослоек на основной металл наносят барьерные покрытия, выбирают соответствующий режим пайки, изменяют скорости нагрева 'перед пайкой и охлаждения после пайки [12].
Диффузионная пайка. Диффузионные процессы при пайке используют для повышения прочности соединений. Метод диффузионной пайки, когда режим и условия процесса обеспечивают развитие диффузии между основным металлом и припоем, имеет значительное распространение. Время т диффузионной пайки обычно исчисляют с момента возникновения равновесной концентрации в зоне сплавления до исчезновения жидкой фазы в шве при температуре пайки, т. е. время изотермической кристаллизации в шве. Последующая выдержка с целью повышения свойств соединения является фактически его термообработкой, так как процесс идет в твердой фазе при отсутствии характерной для пайки жидкой прослойки в соединительном зазоре. Для двухкомпонентной системы основной металл — припой (взаимодействие двух металлов), не образующих между собой химических соединений при температуре пайки [13]:
л 2
т =------, (V.15)
4р2о Х ’
где h — зазор после насыщения припоя основным метал-
215
лом, см; р — безразмерный коэффициент, зависящий от концентрации припоя в жидкой фазе и его растворимости в основном металле; D — коэффициент диффузии, см2! сек.
Формула (V.15) получена в предположении, что фронт диффузии и фазового превращения плоский, коэффициенты диффузии в твердой фазе постоянны и удельные объемы жидкой и образующейся из нее твердой фазы одинаковы. Номограмма для определения безраз-
а)
Рис. 70. Номограмма для определения константы Р (а) и концентрация припоя в зоне сплавления в момент достижения равновесного состава жидкой фазы и после кристаллизации металла шва (б)
