ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Кинетика образования спая из "Физико-химические процессы при пайке" Конструкционные металлы, с которыми приходится иметь дело при производстве паяных изделий, представляют собой поликристаллические тела, состоящие из различно ориентированных кристаллитов или зерен, которые не однородны и состоят из кристаллических блоков размерами см [9]. Блоки разориентированы на малые углы, образуя мозаичную структуру зерна. Кристаллы металлов имеют различные дефекты решетки дислокации, вакансии, дислоцированные атомы. Наличие различных искажений в кристалле повышает его энергию. Лишняя плоскость в случае краевой дислокации или сдвиг решетки при винтовой дислокации вызывают смещение ионов из мест с наименьшим запасом потенциальной энергии, следствием чего является возникновение избыточной энергии по сравнению с регулярной решеткой. Неоднородность кристаллов, наличие на ашх мест выхода различных дефектов являются причиной избирательной активности, так как места выхода дефектов обладают повышенным химическим потенциалом [10]. [c.12] Согласно рентгенографическим исследованиям, проведенным на жидкостях, установлено, что при температурах, близких к точке кристаллизации, жидкое состояние обнаруживает значительную степень упорядоченности, сохраняя расположение атомов, свойственное кристаллической решетке. При этом размещение атомов в жидкости определяется теми же силами, что и в твердом состоянии. Переход металлов в жидкое состояние связан с повышением концентрации вакансий, достигающей при плавлении, как правило, критического значения. [c.12] В зависимости от температур, при которых протекает пайка, значение указанных факторов будет различным. [c.13] При нагреве до температуры пайки основной металл и припой могут претерпевать полиморфные превращения, т. е. переходить из одного кристаллического состояния в другое, а припой — еще и изменение агрегатного состояния. Эти фазовые переходы I рода связаны со значительным поглощением теплоты и сопровождаются, как правило, увеличением объема. В некоторых металлах при нагреве основного металла и припоя возможны также фазовые переходы II рода, не сопровождающиеся заметным поглощением теплоты или изменением объема (магнитные превращения, переходы из упорядоченного состояния в неупорядоченное). Происходящим при пайке аллотропическим превращениям и плавлению в системе основной металл — припой предшествует процесс активации атомов, возникновение флуктуаций новой фазы в старой, зарождение и рост новой фазы. При переходе через точку превращения постепенно исчезают флуктуации старой фазы и понижается концентрация активированных атомов в новой фазе. Это свидетельствует о том, что период активированного состояния атомов распространяется на довольно широкий температурный интервал. [c.13] На начальной стадии взаимодействия образование общей границы твердого и жидкого металлов при папке связано со стремлением системы снизить межфазную энергию. При этом первоначально образующиеся связи в зависимости от природы реагирующих веществ могут быть обусловлены физической адсорбцией или хемосорбцией [11—13]. [c.14] Пайка в общем случае может осуществляться в среде нейтральных или активных газов, а также на воздухе под слоем растворов или расплавов различных флюсующих веществ, с которыми металлы в зависимости от химизма флюсования могут в той или иной степени взаимодействовать. Реакции в зоне найки при этом могут протекать по различным направлениям. Наиболее быстро протекает реакция, которая имеет наименьшую энергию активации. Если реакция не требует разрыва имеющихся в поверхностном слое основного металла и припоя связей, то в первую очередь по ним будет протекать взаимодействие, На границе основной металл — расплавленный припой могут протекать взаимодействия металлов с газами, продуктами разложения окисных и других пленок, флюсами. Поэтому наличие на поверхности металлов адсорбированных или химически связанных пленок приведет к уменьшению количества взаимодействий между атомами основного металла и расплавленного припоя и, в итоге, к снижению прочности сная. Это обстоятельство, а также сообщение поверхностным атомам твердого и жидкого металлов дополнительной энергии активации вынуждают обращать особое внимание на удаление с поверхности взаимодействующих металлов окисных пленок и прослоек, разграничивающих взаимодействующие твердый и жидкий металлы. [c.14] В процессе смачивания две свободные поверхности заменяются одной границей фаз между твердым металлом и расплавом припоя с более низкой свободной поверхностной энергией системы. Поэтому образовавшиеся в отдельных местах связи очень быстро распространяются по всей площади контакта основной металл — расплав припоя. На этой стадии образования спая основную роль начинают играть квантовые процессы между частицами атомных размеров. Взаимодействие между ними проявляется в притяжении или отталкивании, интенсивность и характер которых изменяются в зависимости от природы металлов и внешних условий процесса. Поскольку при пайке взаимодействие происходит, главным образом, между разнородными металлами, то возможность образования соединений между атомами металлов определяется конфигурацией их внешнего электронного слоя. В том случае, когда он близок к насыщению электронами, атом проявляет большую склонность к захвату чужих электронов. При малом количестве электронов на внешних слоях атома он легко отдает их при взаимодействии с другими атомами. С позиций классической физики электрон для перехода на орбиту другого атома должен преодолеть потенциальный барьер, имея для этого необходимую энергию активации. Величина этой энергии зависит от расстояния между атомами. При больших расстояниях она равна энергии связи электрона на соответствующей орбите (потенциалу ионизации). С сокращением расстояния между атомами энергия активации электрона уменьшается и обращается в нуль, когда орбиты перекрываются [14]. [c.15] В ходе взаимодействия атомов основного металла и расплавлеппого припоя возможна коллективизация электр01юв и образование металлической связи. Химическая связь образуется между атомами, обладающими дополнительной энергией, равной или большей энергии активации. Прочная связь между ними возникает, когда они находятся на расстояниях, при которых возможно перекрытие их волновых функций [15]. Этот процесс термодинамически выгоден, так как приводит к уменьшению энергии системы в связи с сокращением свободной поверхности. [c.15] Таким образом, природа смачивания может быть обусловлена как слабым взаимодействием (физическая адсорбция), так и хемосорбцией с образованием более или менее прочной химической связи. [c.16] Поскольку при пайке происходит смачивание основного металла и возникает ориентационное соответствие частиц твердого металла и расплава, то необходимость благоприятной ориентации можно не учитывать. [c.16] Таким образом, полученное соотношение позволяет приближенно оценить относительную прочность спая. [c.17] В отдельных случаях пайки, несмотря на то что с основного металла окисная пленка удалена, взаимодействие не наступает. Расплавленный припой собирается в каплю и в таком состоянии остается на поверхности основного металла, между тем, как эти же металлы в других сочетаниях, например, тот же основной металл, но с другим припоем или наоборот, при приблизительно тех же условиях и режиме пайки взаимодействуют. Это свидетельствует о том, что в указанных случаях необходим нагрев до более высоких температур. В зависимости от природы металлов перегрев может иметь значения от нескольких десятков до сотен градусов. Так, при пайке армко-железа серебром в среде водорода для растекания припоя необходим перегрев по сравнению с температурой плавления серебра в 140° С, при пайке армко-железа алюминием в вакууме 6,65-10 н1м (5-10 мм рт. ст.) —540° С. Только при таком перегреве в отмеченных случаях припой растекается и смачивает основной металл [19]. Наиболее высокий перегрев требуется при пайке армко-железа в среде водорода (точка росы — 50° С) при применении в качестве припоев свинца, таллия, олова, индия и галлия (табл. 1). [c.17] Плавлення припоя Кипения припоя. Пайки. [c.18] От — энергии активации диффузии элементов соответственно твердого основного металла и расплавленного припоя / — газовая постоянная Т — абсолютная температура. [c.19] В тех случаях, когда продолжительная выдержка не приводит к ухудшению прочностных характеристик спая, время контактирования основного металла с расплавом припоя может быть увеличено. [c.19] Поскольку процесс пайки осуществляется при температурах, превышающих точку плавления припоя, а расплавленный металл зоны сплавления характеризуется ближним порядком , то атомы жидкости, попадая в сферу действия ионов, находящихся в узлах решеток основного металла, распределяются на его поверхности в определенном кристаллографическом порядке. В результате взаимодействия по границе спая образуется слой, который осуществляет связь твердого металла с расплавом зоны сплавления. Увеличение продолжительности нагрева усиливает подвижность атомов, между которыми легче достигается контакт, а диффузионный обмен между атомами, если при этом не происходит образования хрупких фаз, приводит к упрочению возникших связей. [c.19] Если условия пайки благоприятны для развития растворно-диффузионных процессов, то с увеличением температуры и времени выдержки диффузионное размывание границы раздела основной металл — припой в предельном случае может привести к ее полному исчезновению, как это происходит при контакте двух смешивающихся жидкостей. [c.19] Следует отметить, что соединение металлов в твердом состоянии, например, при диффузионной сварке осложняется наличием микрорельефа и связанной с этим трудностью обеспечения контакта по площади. Пайка в этом отношении менее зависима от геометрии соединяемых поверхностей, поскольку расплавленный припой создает непрерывный металлический контакт. Кроме того, жидкая прослойка расплавленного припоя, находящаяся между соединяемыми поверхностями основного металла. [c.19] Расчет по данной формуле показывает (рис. 3), что при температуре пайки, например, сталей медью а = — 1,351 н1м (1351 эрг1см ) при зазоре х = 0,1 мм и радиусе растекшейся капли 10 мм стягивающая сила составит около 1 кГ. Наличие стягивающего усилия способствует интенсификации процесса смачивания и капиллярного течения припоя в зазоре. [c.20] 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. [c.22] Вернуться к основной статье