Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
достигает предела насыщения. В этом случае процесс контактного плавления сходен с растворением.
Исследования образующегося в контакте между взаимодействующими металлами сплава показывают, что состав шва неоднороден и изменяется с температурой в соответствии с диаграммой состояния взаимодействующих металлов [20]. В системе медь—серебро мик-рсрентгеноспектральный анализ образцов, паяных в атмосфере водорода при температуре несколько выше эвтектической с выдержкой 3 мин, показал, что содержание меди в зоне сплавления на расстоянии 5 мкм от границы медь — зона сплавления составляет 29,5%, а на расстоянии 5 мкм от границы серебро — зона сплавления— 25,3%. В центре зоны сплавления состав соответствует эвтектическому. С повышением температуры контактного плавления увеличивается растворимость взаимодействующих компонентов в первоначально образовавшемся расплаве, в результате чего при кристаллизации избыточное против эвтектического содержание компонента выделяется в виде дендритов в зоне сплавления или в виде прикристаллизованного слоя к основному металлу (рис. 82,6 и в). Если температура в процессе контактного плавления сохранялась эвтектической, то после кристаллизации в зоне сплавления выделения избыточного компонента не происходит (рис. 82, а).
Жидкая фаза при контактном плавлении в первую очередь образуется по границам зерен и дефектам структуры. Этот процесс наиболее быстро протекает, когда взаимодействующие металлы нерастворимы в твердом состоянии. Однако в отдельных случаях образование жидкой фазы происходит в объеме зерен взаимодействующих металлов.
Механизм образования жидкой фазы в объеме зерен металлов можно продемонстрировать на системе серебро—медь. Первоначальное образование жидкости происходит в диффузионной зоне со стороны серебра. Продиф-фундировавшие в серебро атомы меди объединяются, образуя включения (см. рис. 80,а). С увеличением времени выдержки количество образующегося твердого раствора на основе серебра и меди увеличивается. При достижении насыщения взаимодействие их приводит к образованию жидкости (шаровидные включения в зернах серебра, рис. 83, а). Если процесс осуществляется
241
Рис. 82. Микроструктура шва при контактном плавлении в системе медь — серебро в атмосфере водорода:
а — температура 779” С, выдержка 30 сек, Х600; б —со стороны медн, температура 900° С, выдержка 3 мин., Х100 (кристаллизация на подложку твердого раствора на основе меди); в — со стороны серебра, температура 900° С, выдержка 3 мин., Х200 (кристаллизация на подложку твердого раствора на основе серебра)
Рис. 83. Граница серебро—зона сплавления при контактно-реакционной пайке меди с серебром (а). Температура пайки 779° С, без выдержки; Х2200; схема образования жидкой фазы при контактном плавлении меди е серебром (б)
при эвтектической температуре, то образующаяся жидкость имеет эвтектический состав. Под действием сил поверхностного натяжения капли жидкости принимают шарообразную форму. Когда размер включений жидкости в диффузионной зоне увеличится настолько, что достигнет внешней поверхности образца, происходит ее растекание по поверхности контакта взаимодействующих металлов. Схематично процесс образования жидкой фазы при контактном плавлении меди с серебром представлен на рис. 83, б.
Движущие силы контактного плавления. Механизм контактного плавления с термодинамической точки зрения рассматривается на основе равновесия взаимодействующих фаз. При контактном плавлении двух металлов в случае образования эвтектик сосуществуют три Фазы— твердые металлы и образующаяся жидкость. Согласно правилу фаз Гиббса двухкомпонентная система, состоящая из трех фаз, имеет одну степень свободы, т. е. находится в равновесии только при одной температуре (эвтектической), определенных составе и объеме фаз. Этому условию соответствует эвтектическая точка. Изменение температуры вызывает исчезновение одной из фаз: снижение температуры приводит к исчезновению жидкой фазы, с повышением температуры исчезает одна из твердых фаз. Таким образом, отклонение температуры системы от эвтектической вызывает необратимый процесс изменения составов и объемов фаз до тех пор, пока не исчезнет одна из фаз и не установится равновесие между двумя оставшимися.
Для определения направления развития процесса контактного плавления при постоянных температуре и давлении наиболее удобным критерием является изменение свободной энтальпии системы. Зависимость свободной энтальпии от состава твердой и жидкой фаз в двойных системах эвтектического типа при эвтектической и более высоких температурах изображена на рис- 84 [21, 22].
При температуре Ti кривая свободной энтальпии жидкой фазы лежит ниже кривых свободной энтальпии а и p-твердых растворов и поэтому вс всей области концентраций от А до В устойчиво жидкое состояние. При снижении температуры до Г2 кривая свободной энтальпии a-твердых растворов пересекается с кривой жидкой фазы. В результате при этой температуре одновременно
244
существуют a-твердый раствор и жидкость, составы которых определяются точками соприкосновения кривых свободной энтальпии с их общей касательной. При температуре Т3 появляется область p-твердых растворов и двухфазная область вблизи компонента В. При эвтектической температуре Г4 кривые а и p-твердых растворов и жидкости имеют общую касательную, что отвечает трехфазному равновесию. При дальнейшем понижении температуры минимум свободной энтальпии твердых растворов стремится к чистым компонентам, область первичных твердых растворов сокращается вследствие увеличения области двухфазного состояния.
