Технологии пайке |

Часть 11

Четверг, 10 Сен 2009

В этих условиях длительность процесса диспергирования наряду с физико-химическими свойствами основного металла и припоя лимитируется количеством жидкой фазы в шве. Максимальная длительность определится временем заполнения зазора дисперсными частицами, имеющими различную дисперсность. Зона сплавления может представлять коллоидный раствор основного металла в расплаве припоя или в расплав припоя в процессе диспергирования могут переходить частицы сравнительно крупных размеров.

Если скорость образования дисперсных частиц известна, то уравнение позволяет определить время диспергирования, а если время диспергирования известно, то можно оценить ширину шва, образовавшегося после диспергирования.


Часть 10

Четверг, 10 Сен 2009

Эффект понижения прочности связан с уменьшением поверхностной энергии твердых металлов и имеет место в первую очередь в тех случаях, когда взаимодействующие металлы дают диаграмму состояния эвтектического типа, а расплавленный металл не вступает в химическое взаимодействие с твердым, растворяясь в нем в весьма небольших количествах. Эффект снижения прочности твердых металлов наблюдается и тогда, когда основной металл и расплавленный припой не обладают взаимной растворимостью. Роль межзеренных границ в этом явлении остается определяющей, поскольку в условиях снижения межфазной энергии под действием расплава границы зерен являются наиболее ослабленным местом. Это связано с тем, что граница зерен обладает значительным избытком свободной энергии ввиду нескомпенсированности межатомных сил. Поэтому на поверхностях с избыточной свободной энергией происходит более активная адсорбция расплава, что приводит к снижению прочности.

При образовании диспергированного спая процесс измельчения основного металла под действием расплавленного припоя протекает в условиях, характеризуемых высокой температурой процесса; ограниченным количеством жидкой фазы; активным процессом миграции расплавленного припоя в основной металл.


Часть 9

Четверг, 10 Сен 2009

При пайке воздействие жидкометаллической среды на паяемые металлы является определяющим. В зоне шва могут происходить изменения физико-механических свойств основного металла, связанные с эффектом пластифицирования, адсорбционного понижения прочности, диспергирования, образования твердых растворов и соединений в результате гетеродиффузии, растворения и т. д.

Воздействие на паяемые металлы расплавов более легкоплавких металлов осуществляется через поверхность, поэтому состояние ее, наличие на ней загрязнений, окисных пленок и т. п., а также состояние предповерхностных слоев — наличие остаточных напряжений, наклепа, различных дефектов от субмикроскопических до микроскопических имеет очень большое значение. Если на поверхности основного металла имеются пленки с неметаллической связью, то они затрудняют доступ расплава к твердому металлу и ухудшают условия взаимодействия между ними. После механической обработки резанием воздействие расплава усиливается. Наоборот, если основной металл полировался или накатывался, что приводит к уменьшению поверхностных дефектов, то воздействие расплава снижается.


Часть 8

Четверг, 10 Сен 2009

Принято считать, что с момента образования жидкой фазы заканчивается первая стадия контактного плавления, связанная с взаимной диффузией компонентов в твердой фазе и образованием твердых растворов. Эта стадия в общем случае описывается уравнением диффузии.

Вторая стадия контактного плавления определяется растворением твердых металлов в образовавшемся расплаве. При этом одновременно протекают два процесса — образование твердого раствора в поверхностных слоях взаимодействующих металлов за счет диффузии из жидкой фазы и растворение образующегося твердого раствора в жидкой фазе.

В зависимости от природы взаимодействующих металлов и температуры нагрева лимитирующим фактором второй стадии контактного плавления являются процессы, обусловленные или массопереносом в твердую фазу через жидкую прослойку (образование пересыщенных твердых растворов и их последующее плавление), или растворением твердого металла в жидком. При затвердевании расплава, образовавшегося при контактном плавлении двух металлов, возникают два спая, различных по своей природе и строению.

Действие активных сред начинается с адсорбции на границе раздела. Взаимодействие с паяемым металлом или проникновение в его объем является уже вторичным процессом.


Часть 7

Среда, 09 Сен 2009

В простейшем случае, когда основной металл и припой не растворимы в твердом состоянии, вторая стадия будет характерна взаимной диффузией атомов основного металла и расплава припоя и изотермической кристаллизацией на подложку выделяющегося из расплава пересыщающего жидкость основного металла. При образовании ограниченных или непрерывных твердых растворов при изотермической кристаллизации на подложку выделяется сплав основного металла и припоя, по составу (для двухкомпонентной системы) отвечающий точке пересечения изотермы температуры пайки с линией солидуса.

Третья стадия взаимодействия при образовании растворно-диффузионного спая протекает по законам диффузии в твердой фазе.

Контактно-реакционный спай. Контактное плавление есть процесс перехода в жидкое состояние разнородных твердых веществ при температурах ниже точек их плавления. Это свойство веществ присуще как металлам, так и неметаллическим материалам. Снижение температуры плавления компонентов связано с особенностями диаграмм состояния взаимодействующих веществ.

В основе контактного плавления лежат диффузионные процессы. Диффузия в твердую фазу при наличии контакта взаимодействующих металлов может продолжаться до тех пор, пока концентрация второго компонента в поверхностном слое не достигнет равновесного предела растворимости при данной температуре. После этого, если температура соответствует эвтектической или минимуму на линии солидуса в системах, образующих непрерывные твердые растворы с минимумом, начинается образование жидкой фазы. С момента ее возникновения дальнейшее взаимодействие контактирующих металлов происходит через слой расплава. Образование твердого раствора в поверхностном слое металлов, находящихся в контакте с жидкой фазой, является процессом, непосредственно подготавливающим плавление этого слоя. Поэтому и после возникновения жидкой фазы контактное плавление рассматривается как процесс плавления твердых растворов, образовавшихся за счет диффузии атомов второго компонента из жидкости и ухода атомов первого компонента в жидкую фазу.


Часть 6

Среда, 09 Сен 2009

Равновесие в зоне паяного соединения и в этом случае не достигается. Если нагрев не прекращен, то активно протекает процесс диффузионного выравнивания состава и при очень длительных выдержках — приближение его к составу основного металла.

В итоге процесс взаимодействия основного металла с расплавленным припоем при образовании растворно-диффузионного спая условно можно разграничить на три стадии:

I              стадия — интервал концентраций А — С, когда ведущим процессом является растворение основного металла в расплавленном припое;

II             стадия — интервал концентраций С — D, когда между составами жидкой

(С) и твердой (D) фаз имеет место динамическое равновесие, происходит изотермическая кристаллизация;

III            стадия — интервал концентраций D — В, когда жидкости не осталось и

протекает диффузия в твердой фазе.

Первая стадия взаимодействия основного металла с расплавом припоя лимитируется или скоростью перехода атомов в пограничный слой, или скоростью их диффузии в расплаве припоя.

Согласно экспериментальным данным процесс растворения лимитируется в большинстве случаев диффузией основного металла в жидкой фазе.

Вторая стадия взаимодействия основного металла с расплавом припоя протекает различно в зависимости от соотношения их свойств: металлы, не растворимые в твердом состоянии, имеют ограниченную или непрерывную растворимость.


Часть 5

Среда, 09 Сен 2009

Если нагрев при пайке будет прекращен до момента достижения равновесной концентрации жидкой фазы, то средний состав зоны сплавления не будет соответствовать точке С.

После достижения равновесия концентрация жидкой фазы постоянно отвечает точке С, равновесная концентрация твердой фазы в зоне спая (по составу соответствует точке D) достигается за счет насыщения припоем диффузионной зоны и изотермической кристаллизации выделяющегося из расплава твердого раствора. С увеличением выдержки при температуре пайки изотермическая кристаллизация идет до получения во всем объеме зоны сплавления состава, соответствующего насыщенному твердому раствору (точка D). Кинетика этого процесса определяется диффузией. Припой диффундирует в основной металл, вследствие чего в жидкости достигается пересыщение основным металлом. При определенном пересыщении происходит выделение из нее на поверхность основного металла твердого раствора состава, отвечающего точке D. Процесс этот будет протекать до тех пор, пока не израсходуется вся жидкость и не произойдет полная изотермическая кристаллизация.


Часть 4

Среда, 09 Сен 2009

Растворно-диффузионный спай. В результате смачивания основного металла расплавом припоя между ними возникает контакт — необходимое условие развития процессов химического взаимодействия. Одновременно со смачиванием происходит растворение основного металла в расплавленном припое, вследствие чего состав зоны сплавления меняется, пока не достигнет равновесной концентрации, соответствующей пересечению изотермы температуры пайки с линией ликвидуса (точка С). В процессе растворения одновременно идет диффузия из жидкости в твердую фазу, но поскольку скорость растворения твердого металла в жидком значительно выше, чем диффузия в твердой фазе, то диффузионная зона не образуется. С приближением состава жидкой фазы к равновесию скорость растворения основного металла в ней замедляется, вклад диффузии из жидкой фазы в твердую в массоперенос повышается, поэтому начинает образовываться диффузионная зона. Если выдержка при температуре пайки достаточна для достижения равновесной концентрации жидкой и твердой фаз, то жидкая часть будет иметь состав, соответствующий пересечению изотермы с ликвидусом, а основной металл по границе с зоной сплавления — с солидусом диаграммы состояния.


Часть 3

Среда, 09 Сен 2009

Возможность и кинетика процесса образования «бездиффузионного» соединения при пайке, когда взаимодействуют различные по природе твердый и жидкий металлы рассмотрены в работах.

В работе экспериментально подтверждена возможность получения «бездиффузионного» спая на примере пайки железа оловом.

Как следует, период решетки железа, контактировавшего с расплавленным оловом при 500° С в течение до 30 с, не изменяется. Это, по-видимому, связано с тем, что диффузия атомов олова в кристаллическую решетку железа сильно затруднена, что подтверждается постоянством периода решетки железа при различном времени контакта с расплавленным оловом.

Прецизионное определение периодов решетки олова позволило установить закономерное уменьшение их при увеличении времени контакта с твердым железом, что связано с переходом в расплав олова атомов железа, имеющих меньший атомный радиус, и последующем их фиксировании в виде твердого раствора замещения.

Таким образом, в процессе взаимодействия железа с жидким оловом при температуре пайки 500°С и выдержке до 30 с диффузия олова в железо не имеет места.

При более низких температурах пайки железа оловом можно устойчиво получать «бездиффузионные» спаи при более длительном времени контакта твердой и жидкой фаз. Возможность эта повышается при дозированном энерговложении, например, при нагреве лазером.

Принципиальная возможность бездиффузионного соединения была показана также для пар железа с медью, алюминием и т. д.


Часть 2

Среда, 09 Сен 2009

Энергетическая гипотеза исходит из того, что для образования связей между металлами необходимо, чтобы энергия атомов кристаллических решеток контактирующих металлов превышала определенный энергетический порог. После его преодоления и образования двухмерных зародышей, если выделяющаяся энергия достаточна для образования межатомных связей, то в зоне контакта начинается спонтанный процесс увеличения площади соединения.

При пайке, когда взаимодействуют твердый и жидкий металлы, возможно образование химических связей различного типа, при этом в зависимости от условий и режима пайки реакции могут иметь различное развитие в объеме. Начальной стадией взаимодействия во всех случаях являются реакции между атомами, находящимися на поверхности металлов, поэтому возможность «бездиффузионного» спая лимитируется продолжительностью периода ретардации, т. е. временем, предшествующим протеканию диффузионных процессов, начиная с момента возникновения контакта между твердым и жидким металлами.


Часть 1

Среда, 09 Сен 2009

«Бездиффузионный» спай. В процессе пайки основной металл и расплавленный припой вступают в физико-химическое взаимодействие, обусловленное различиями их свойств и энергетического состояния. При снижении температуры пайки и уменьшении времени выдержки интенсивность взаимодействия на межфазной границе снижается, между основным металлом и припоем возможно образование химических связей при отсутствии гетеродиффузии или ограничении ее до значений, лежащих ниже чувствительности существующих инструментальных методов.

На природу процесса образования связей при взаимодействии между однородными и разнородными металлами существуют различные взгляды.

Согласно «пленочной» теории соединение между металлами образуется при наличии лишь сближения чистых поверхностей. Таким образом, для образования связей достаточно удаления окисных и адсорбционных пленок с контактирующих между собой металлов. При условии сближения металлов на расстояния, соизмеримые с межатомными, согласно этой теории для образования соединения преодоления энергетического барьера не требуется.