Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Интенсивность растворения основного металла в расплаве припоя лимитируется или скоростью перехода атомов в пограничный слой или скоростью их диффузии в расплаве припоя. Если скорость перехода атомов основного металла меньше скорости диффузии их в жидкой фазе, т. е. лимитирует интенсивность растворения, то уравнение скорости растворения в случае взаимодействия чистых металлов имеет вид [14]:
где /V— количество атомов, остающихся в расплаве припоя в единице объема (т. е. не выделяющихся вновь на поверхность твердого металла); t—время; W — вероятность перехода атомов основного металла в расплав припоя; р — поверхностная плотность основного металла или число атомов на поверхности единичной площади; S — площадь растворяемого участка основного металла; со — скорость кристаллизации; с — концентрация основного металла в расплаве припоя.
К моменту насыщения расплава припоя основным металлом между ними установится динамическое равновесие, т. е.
где с о, — концентрация насыщения расплава припоя основным металлом.
Подставив в уравнение (V.16) cvm = N и приняв во внимание предыдущее равенство, получим
^ = WPS-coc5,
dt
(V.16)
Wp — we,*, = 0,
(V.17)
(V.18)
где иж — объем расплавленного припоя.
220
Проинтегрировав это выражение по времени и приняв концентрацию основного металла в расплаве припоя в начальный момент растворения равной нулю, получим уравнение, описывающее кинетику растворения:
( -2L.J-A
с = с„\1-е /. (V.19)
Если растворение основного металла лимитируется диффузией в жидкой фазе, уравнение скорости растворения запишется:
dN | с — с
—(V.20)
где D — коэффициент диффузий атомов основного металла в жидком припое; б — толщина пограничного слоя * в жидком металле, образующегося у поверхности основного металла.
Скорость изменения концентрации основного металла в припое по аналогии с предыдущим
dc Dc^l'S
dt
('--гг)- (V-21)
Интегрируя по времени с учетом равенства концентрации основного металла в расплаве припоя в начальный момент растворения нулю, получаем кинетическое уравнение процесса растворения, лимитируемого диффузией в жидкой фазе:
>-«:(,-Л*).
(V.22)
В том случае, когда скорость растворения зависит и от скорости перехода атомов основного металла в расплав припоя и от скорости диффузии в жидкой фазе, кинетическое уравнение примет вид:
c=c.(l—(V.23)
* При анализе процессов растворения различают стадию образования «спокойного» слоя жидкости на границе с твердым металлом и стадию диффузии из пограничного слоя в область конвективных потоков.
221
W?;cx-D,b
где a =----------------сомножитель показателя экспо-
+ 0/5
ненты, называемый константой скорости растворения, для первого случая равный Wplc «, и для второго .D/8.
Как видно из уравнений, во всех трех рассмотренных случаях [уравнения (V.19), (V.22), (V.23)] кинетика растворения характеризуется аналогичными зависимостями, а расплав зоны сплавления насыщается по экспоненциальному закону.
Из уравнения (V.23) следует, что кинетика растворения основного металла в расплавленном припое определяется соотношением физико-химических свойств взаимодействующих металлов, площадью контакта между ними и количеством жидкой фазы.
Согласно экспериментальным данным процесс растворения лимитируется в большинстве случаев диффузией растворенного основного металла в жидкой фазе. Это наблюдается, например, для систем медь — свинец, медь — висмут, никель — свинец, железо — ртуть и др. При растворении олова в оловянносвинцовых сплавах лимитирующим фактором является переход через меж-фазную границу.
Изменение состава зоны сплавления. Первоначальное насыщение расплава припоя основным металлом происходит непосредственно в момент заполнения капиллярного зазора. Так, при пайке железа медью обнаружено, что расплавленный припой насыщается железом еще до того, как он дойдет до середины капиллярного зазора. Такое интенсивное растворение основного металла в припое приводит к тому, что на входе капиллярный зазор приобретает клиновидную форму. Аналогичное положение происходит при пайке железа и малоуглеродистых сталей многокомпонентными припоями. На рис. 74 показана микроструктура шва при пайке стали Ст.З припоем марки ВЗМИ-49. Из рисунка видно, что у входной галтели имеется клиновидность. С увеличением времени выдержки при пайке состав жидкой фазы приближается к равновесному и повышается степень равномерности распределения основного металла в зоне сплавления. Кристаллизация жидкости вновь приводит к выраженной неравномерности состава шва. На рис. 75 изображе-
222
ны кривые распределения основного металла по примыкающему к нему зерну зоны сплавлений при пайке железа медью. Как видно из рисунка, при удалении от основного металла содержание железа в зоне сплавления падает. Максимальное содержание железа в зоне сплавления по границе с основным металлом при температуре пайки 1100°С составляет приблизительно 4%, а в центре зоны сплавления 2,5% при выдержке 1 мин и 3,1% при часовой выдержке. Среднее содержание железа в зоне сплав-
Рис. 74. Микроструктура соединения при пайке стали Ст. 3 в среде водорода припоем ВЗМИ-49.
