Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Исходный состав припоя в процессе пайки может меняться не только вследствие растворения в нем основного металла, но и в результате избирательной диффузии компонентов припоя в основной металл, испарения наиболее летучих компонентов припоя, окисления и удаления в шлак за счет газовой фазы или окислов основного металла. Повышение температуры затвердевания припоя как вследствие диффузии его компонентов в основной металл и растворения в нем основного металла, так и в результате испарения отдельных компонентов, возможно лишь при наличии на диаграмме состояния соответствующих систем области твердых растворов.
Влияние основного металла на процесс образования соединения сказывается также и непосредственно при кристаллизации, которая идет на готовых поверхностях раздела. При этом образование зародышей кристаллов на поверхности основного металла зависит от характера
9*
251
смачивания ее припоем. Чем меньше краевой угол смачивания, тем меньше затраты энергии требуется для образования зародыша. Если краевой угол мал, то для зарождения зародыша кристалла требуется незначительное переохлаждение. Поскольку обязательным условием пайки является смачивание припоем основного металла, то условия зарождения центров кристаллизации при этом весьма благоприятны.
Кристаллизацию при пайке необходимо рассматривать одновременно с процессами, происходящими на границе основной металл — расплав припоя, так как от них зависит температура затвердевания металла зоны сплавления, количество жидкой фазы, ее однородность, наличие в ней зародышей кристаллов, степень ликвации при затвердевании и т. д. Направленный теплоотвод и наличие твердой поверхности, во многих случаях изоморфной с затвердевающим расплавом, часто делают процессы, происходящие на границе основной металл — зона сплавления, основными в процессе кристаллизации. Кристаллизацию в отдельных случаях, например, при диффузионной пайке, следует рассматривать не в обычном понимании, а как направленное заращивание соединительного зазора.
Характер кристаллизации меняется, если на границе основной металл — расплав припоя образуются интерметаллические соединения в результате непосредственного взаимодействия твердого металла с припоем или в процессе кристаллизации интерметаллидной фазы из расплава. Образовавшаяся прослойка интерметаллида имеет свою собственную кристаллическую структуру, отличающуюся от структуры припоя. Поэтому кристаллизация металла зоны сплавления в этом случае происходит на поверхности не изоморфной, что приводит к снижению прочности спая.
Кристаллизация в шве может происходить как путем образования новых зерен, так и путем достройки отдельных зерен основного металла. При образовании на поверхности основного металла новых зерен граница разнородных кристаллов более широкая, .что позволяет предполагать образование в ней промежуточных сплавов.
Достройка отдельных зерен основного металла может происходить не только когда основной металл и припой изоморфны, но и при резких различиях их свойств.
252
При кристаллизации на гетерогенных поверхностях зародышеобразование и рост кристаллов в первую очередь происходят в активных местах кристаллов основного металла, в которых на поверхность выходят винтовые дислокации роста. Образующиеся кристаллы ори-
Рис. 87. Микроструктура шва при пайке меди в водороде припоем ПСр72:
а — осаждение пересыщающей сплав медн в внде твердого раствора Си—Ag на активных местах зерен основного металла,
Х2000; б — укрупнение частичек растворенной в расплаве медн и ориентированное осаждение ее в виде твердого раствора Си—Ag на поверхность основного металла, Х800
ентируются таким образом, чтобы освобождаемая поверхностная энергия была наибольшей, а система более устойчивой, имея наименьший запас энергии. Поэтому и спай образуется первоначально не по всей площади, а по отдельным наиболее активным зернам основного металла. На рис. 87, а можно видеть кристаллизацию на
253
отдельных зернах подложки (основного металла) при пайке меди. При длительной выдержке количество отложившегося сплава может быть более значительным (рис. 87, б). При этом в процессе кристаллизации происходит как бы своеобразная сепарация. В данном случае частицы твердого раствора на основе меди укрупняются, обычное равномерное распределение компонентов исчезает. Обращает на себя внимание также ориентированность осаждающихся частиц в соответствии с геометрией поверхности твердого металла.
Эпитаксия. Влияние твердой поверхности основного металла приводит к тому, что кристаллизация металла шва с самого начала в той или иной степени ориентирована, т. е. наблюдается определенное соотношение между формой и размерами кристаллических ячеек металла шва и основного металла. Ориентированная кристаллизация (эпитаксия) одного металла на другом может происходить на различных подложках и не обязательно требует близкого кристаллографического соответствия между подложкой и кристаллизующимся металлом шва [2]. Кристаллиты основного металла являются готовыми центрами кристаллизации, ввиду этого кристаллизация в шве может начинаться без переохлаждения или с незначительным переохлаждением. В зависимости от соотношения параметров решетки кристаллов основного металла и кристаллов, образующихся из расплава, ориентированная кристаллизация может протекать по-разному. Выделяющаяся из расплава новая структурная составляющая, отличающаяся в той или иной степени от основного металла фазовым составом, типом и параметрами решетки, сопрягается с подложкой такой кристаллографической плоскостью, расположение атомов в которой наиболее подобно расположению аналогичных атомов в грани кристалла основного металла. Вероятность такой кристаллизации будет тем больше, чем меньше различия межатомных расстояний в плоскостях сопрягающихся фаз. В процессе ориентированной кристаллизации силы притяжения атомов основного металла вынуждают атомы расплавленного припоя занять узлы не своей решетки, а решетки основного металла. Следовательно, кристалл основного метала «навязывает» об-¦р-4фующемуся кристаллу свой собственный период решетки. приводит к‘деформации первых плоскостей
