Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
* Гетеродиффузией называется перемещение в веществе чужеродных растворенных атомов при наличии градиента концентрации.
21
повышению прочности, когда вследствие диффузии благоприятно меняется состав зоны сплавления и диффузионных зон. В случае длительного взаимодействия металлов в процессе пайки, обусловленного, например, технологическими причинами, на второй стадии получают развитие растворно-диффузионные процессы.
Третьей стадией образования спая является кристаллизация, которая фиксирует процессы взаимодействия между основным металлом и расплавом припоя на том или ином уровне их развития. Следует подчеркнуть условность этого деления, так как процесс смачивания является уже химическим взаимодействием.
§ 3. КЛАССИФИКАЦИЯ СПАЕВ
В зависимости от соотношения физико-химических свойств основного металла и припоя, а также режима и условий пайки, переходный слой (спай) между ними может иметь различное строение.
Если принять, что взаимодействуют чистые металлы и в процессе флюсования пленки с неметаллической связью с основного металла и расплава припоя удалены, то в зависимости от соотношения свойств основного металла и припоя, а также режима пайки возможны спаи: «бездиффузионный»*, растворно-диффузионный, контактно-реакционный, диспергированный.
Процесс взаимодействия основного металла и расплавленного припоя, протекающий при наименьшем перегреве и ограниченный во времени, может быть зафиксирован на стадии хемосорбции, когда процессы гетерогенной диффузии на межфазной границе развития не получили. Такой спай называют «бездиффузионным». Необходимым условием образования «бездиффузионно-го» спая является сокращение времени контакта твердого и жидкого металлов до значений, меньших периода ретардации диффузионных процессов. При этом в резуль-
* При полном подавлении гетеродиффузии на границе раздела фаз (длительность контакта основного металла и расплава припоя не превышает время ретардации диффузионных процессов) в объеме взаимодействующих металлов будет происходить самодиффузия, поэтому термин «бездиффузионный» спай является условным.
22
тате взаимодействия основного металла и расплава припоя в зоне контактирования возникают двухмерные кристаллические образования. В отличие от ориентированной кристаллизации (эпитаксии) для образования без-диффузионного спая между подложкой и расплавом припоя необходим обмен атомами. Условиями образования бездиффузионного спая являются:
Т zzT
1 п 1 СМ* тп ^ тр>
где Тп и Гсм — соответственно температура пайки и смачивания припоем основного металла; тп и тр — длительность контакта твердого и жидкого металлов при пайке и время ретардации.
С увеличением температуры пайки или времени выдержки бездиффузионный спай превращается в растворно-диффузионный.
Смачивание основного металла расплавленным припоем создает условия для развития растворно-диффузионных процессов по границе взаимодействия. Поскольку в контакте основной металл — припой реакции идут в гетерогенной среде между металлами, находящимися в различных агрегатных состояниях, то развитие их связано не только с химическими превращениями, но и с переносом веществ из глубины фаз к поверхности, а также с удалением продуктов взаимодействия из зоны реакции. Кинетика этих реакций связана с диффузией. Скорость процесса взаимодействия между основным металлом и расплавленным припоем зависит от интенсивности переноса входящих в их состав компонентов в зону спая, скоростей взаимодействия и удаления продуктов взаимодействия. Время формирования спая определяется минимальной скоростью указанных стадий процесса.
Спай, возникающий в условиях протекания растворно-диффузионных процессов в зоне контакта твердого металла и жидкой фазы, называется растворно-диффузионным. В зависимости от природы основного металла и припоя растворно-диффузионный спай может быть образован металлами с неограниченной растворимостью, с ограниченной растворимостью, дающими эвтектические смеси и химические соединения.
23
Условия образования растворно-диффузионного спая:
Гпл.пр Тп < Т'пл.о.м,
ТР<СТП <СТИ К1
где Тпл.пр, Т'пл.о.м—температуры плавления соответственно припоя и основного металла; ти.к — длительность изотермической кристаллизации во всем объеме зоны сплавления.
В зависимости от характера и продолжительности взаимодействия на межфазной границе строение спая может быть различным. Если припой не насыщается основным металлом до состава, соответствующего ликвидусу равновесной диаграммы состояния при температуре пайки, то изотермическая кристаллизация в шве не происходит и спай представляет собой кристаллические образования на межфазной границе, возникающие в результате выделения избыточного компонента при охлаждении и последующей диффузии в твердой фазе.
С момента достижения в шве равновесного состава жидкой фазы начинается изотермическая кристаллизация на подложку и формирование диффузионной зоны. Переходный слой (спай) в этом случае содержит еще слой изотермической кристаллизации.
При длительных выдержках при температуре пайки изотермическая кристаллизация может пройти во всем объеме зоны сплавления (диффузионная пайка).
