Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
«Бездиффузионный» спай с практически отсутствующим массопереносом между основным металлом и припоем в обычных условиях пайки получить не представляется возможным. В особых условиях, например, при непылении жидких припоев на основной металл, регулируя температуру подложки, можно получить спаи, в которых массоперенос микрорентгеноспектральным методом не обнаруживается.
27
Для изучения диффузионных процессов на границе твердой и жидкой фаз В. С. Новосадовым, М. X. Шор-шоровым и Ю. Л. Красулиным разработана специальная методика «жидкая клиновая проба», позволяющая путем регулирования температуры и продолжительности контактирования влиять на процессы взаимодействия в зоне контакта [26]. С применением этой методики удалось получить спаи, в которых практически полностью подавляется гетеродиффузия. Рентгеноспектральные исследо-
Рис. 6. Схема диаграммы состояния:
А — припой; В — основной металл
вания (диаметр фокального пятна ~2 мкм) показали, что можно получить спаи железа с медью с глубиной зоны гетеродиффузии за пределами чувствительности рентгеновского метода.
Растворно-диффузионный спай, когда основной металл и расплавленный припой при взаимодействии образуют между собой ограниченные твердые растворы * (рис. 6), если не учитывать диффузию в твердой фазе, начинает формироваться с момента смачивания основного металла расплавом припоя. В результате протекающего при этом растворения твердого металла в жидком припое состав зоны сплавления изменяется до тех пор, пока не достигнет равновесного при данной температуре, соответствующего пересечению изотермы с линией ликвидуса (точка С). В процессе растворения одно-
* При наличии неограниченной растворимости в твердом состоянии закономерности образования растворно-диффузионного спая аналогичны.
28
временно идет диффузия из жидкости в твердую фазу, но поскольку скорость растворения твердого металла в жидком значительно выше, чем диффузия в твердой фазе, то устойчивого диффузионного слоя на поверхности основного металла не образуется. С приближением состава зоны сплавления к равновесному (точка С) скорость растворения основного металла замедляется, начинает образовываться диффузионная зона. Наиболее активная диффузия при этом протекает по границам зерен и дефектам структуры основного металла. При достижении в шве равновесной концентрации жидкая фаза зоны сплавления будет иметь состав, соответствующий пересечению изотермы с линией ликвидуса, а граница основной металл — зона сплавления с линией солидуса диаграммы состояния.
Соотношение компонентов в жидкой и твердой фазах определяется коэффициентом распределения *.
где Ств и Сж — концентрация рассматриваемого компонента соответственно в твердой и жидкой фазах.
Зависимость эффективного коэффициента распределения по В. Дж. Пфанну, учитывающего наличие впереди фронта кристаллизации слоя, называемого диффузионным, в котором содержание рассматриваемого компонента повышено, имеет вид:
k =--------^------- , (1.7)
*o + (l-*o)e_/8/D
где k0—равновесный коэффициент распределения; f — скорость роста фронта кристаллизации; б — толщина диффузионного слоя; D — коэффициент диффузии в жидкости, равный для многих жидких растворов от 10-5 до 10-4 см2/сек.
С момента достижения равновесного состава жидкой и твердой фаз в шве начинается изотермическая кристаллизация.
-*--------
* Коэффициентом распределения называется отношение концентрации компонента в твердой фазе к концентрации его в жидкой фазе. Он может выражаться через концентрацию как компонента А, так и компонента В.
29
Поскольку система основной металл — расплавленный припой неравновесна, то с увеличением выдержки при температуре пайки равновесие сдвигается в сторону получения во всем объеме зоны сплавления состава, соответствующего насыщенному твердому раствору (точка D). В результате диффузионный массоперенос на границе фаз приведет к дальнейшему обогащению зоны сплавления основным металлом и соответственно основного металла припоем. Кинетика этого процесса после достижения равновесного состава жидкой и твердой фаз определяется соотношением скоростей диффузии припоя в основной металл и основного металла в зону сплавления. При определенном пересыщении жидкости происходит выделение из нее твердого раствора. Диффузия припоя в твердую фазу снова вызывает пересыщение и последующее выделение из жидкости твердого раствора до тех пор, пока в зоне сплавления не останется жидкой фазы и не произойдет полная изотермическая кристаллизация. В результате, в момент завершения кристаллизации, состав центральной части зоны сплавления соответствует солидусу равновесной диаграммы состояния (точка D). Первоначально же выделявшийся на -подложку твердый раствор вследствие диффузии в твердой фазе обедняется припоем, концентрация которого понижается от равновесной, соответствующей солидусу (точка D) до нуля на границе диффузионной зоны с основным металлом исходной концентрации.
Дальнейшая выдержка при температуре пайки /р-д приведет к диффузионному выравниванию состава образовавшихся в шве сплавов и приближению их к составу основного металла.
