|
| |
|
Слаботочка Книги [1] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 структура паяных соединений Пайка, как никакой другой технологический процесс, связана с широким комплексом физико-химических явлений, протекающих в твердой, жидкой и газовой фазах: восстановление и диссоциация, испарение и возгонка, смачивание и капиллярное течение, диффузия и растворение, пластифицирование и адсорбционное понижение прочности и т. д. Основными факторами, определяющими характер взаимодействия твердого и жидкого металлов при образовании спаев, являются электронное строение их атомов, соотношение атомных радиусов, положение элементов в ряду электроотрицательности, валентность и потенциалы ионизации атомов. Характер взаимодействия важнейших Б техническом отношении и наиболее широко используемых в паяных изделиях металлов - железа, меди, никеля, алюминия и магния - с элементами Периодической системы элементов Д. И. Менделеева представлен на ис. [ Кинетика образования и классификация спаев Для получения паяных соединений необходимо выполнение следующих условий- нагрев соединяемых деталей до температур ниже точек плавления материала деталей, введение в зазор межд> соединяемыми деталями жидкой прослойки, являющейся припоем, взаимодействие между паяемым чате-алом и расплавом припоя, кристаллизация жидкой фазы, находящейся между соединяемыми пайкой поверхностями деталей. Образующееся при пайке соединение по своему строению и составу нео-*ородно, включает литую прослойку (шов), спаи и диффузионные зоны. Шов - неоднородная по составу н строению прослойка между соединяемыми деталями, образующаяся в результате взаимодействия припоя с паяемым материалом и последующей кристаллизации расплава в зазоре. Связь между швом и поверхностью детали возникает в результате образования спаев. Спай - переходный слой на границе паяемая деталь - шов, образующийся в результате взаимодействия паяемого материала с расплавом припоя. Диффузионная зона - граничащий со спаем слой паяемого материала с измененными химическим составом и микроструктурой, образовавшийся Б результате диффузии компонентов припоя и паяемого материала. В зависимости от условий и режима пайки, а также от соотношения физико-химических свойств паяемого материала и припоя спай, образующийся между ними, может иметь различное строение В начальный момент на поверхности раздела твердой и жидкой фаз при температуре пайки (рис. 2) паяемый материал и расплав припоя имеют составы, близкие к исходным. Пайка может завершаться как на более ранней стадии, так и на последующих, более глубоких стадиях развития процессов взаимодействия паяемого материала и припоя в зоне спая. В соответствии с этим будут меняться состав и структура спаев. Если процесс прекращается на стадии образования химических связей, когда взаимной диффузией паяемого материала и припоя в их объеме можно пренебречь, то имеем бездиффузионньпт спай. Последующая выдержка создает условия для развития диффузионных и растворно-диффузионных процессов. Спай, образующийся в условиях протекания растворно-диффузионных процессов в зоне контакта твердого и 
жидкого металлов, называют раствор-но-диффузионным. Соединение при пайке может быть получено и без предварительного введения припоя, В этом случае используется контактное плавление. Спаи, образующиеся при пайке в результате контактного плавления, относят к кон-тактно-реакиионным. При образовании этого вида спаев процесс ведется при температурах ниже точек плавления взаимод(нСтву1ощих металлов. Образование спаев при температуре пайки начинается за счет диффузионных процессов при отсутствии жидкой фазы. Среди применяемых в технике металлов имеются такие, которые между собой не сплавляются и не вступают в химические соединения. В работе [6] показано, что и в этих случаях возможно образование между ними спаев. Например, железо и свинец в жидком состоянии практически взаимно нерастворимы. Вольфрам не образует сплавов с медью, марганце.м, серебром, оловом. Однако, при панке происходит смачивание железа и вольфрама легкоплавкими металлами указанных пар. Образующаяся жидкая фаза затекает в капиллярные зазоры и обеспечивает формирование паяных соединений. Образование таких спаев достигается перегревом. Необходимы!* перегрев при пайке вольфрама медью, марганцем, серебром и оловом в среде I. Температуры плавления Sii, Си, Мп, Ag и температуры пайки ими вольфргка
Примечание Перегрев определяется как разность между температурой пайки н TCMnepaTvpou плат1ле1[ня пр оя. [Паяемый, металл Диффузионная зона Диффузионная зона Паяемый, металл Рис, 2. Строение паяного (схема) соединения водорода с ТОЧКОЙ росы - 50 С и содержанием кислорода не выше 0,0005 % по объему указан в табл. 1. В этих случаях при пайке происходит не истинное растворение паяемого металла в припоях, а диспергирование боотее тугоплавкого металла взанмоден-ствующен пары в результате снижения свободной поверхностной энергии под действием расплава припоя. Полученные спаи названы диспергированными [6, 7]. .Механические свойства паяных соединен и й о п р едел я ются п р оч ностыо литой простой;-.и (шва) и прочностью ее связи с паяе?.1ьш материалом (ппоч-ностыо спаев! Слаи .между мета.т.1анн. Бездиффузионный, спай. В процессе пайки паяемый материал и расплавленный припой вступают в физико-.чил-ическое ззаимс- Рис. К Взаимодействие а - Fe (а), у = Fe ((П, недк (е(. вквсля (г), алюминия (д), магния (1 с различными элементами: ~ образующими непрерыкные твердые растворы: 2 - ойразуюи,ими ограннчен[1ые ердые растворы: - образующими соединения: 4 - образующими эвтектические смеси, о - не Бааимодейству щиыи; 6 - неизученные действие, обусловленное различиями их свойств и энергетического состояния. При снижении температуры пайки и времени выдержки интенсивность взаимодействия между паяемым материалом и припоем уменьшается, возможно образование химических связей при отсутствии диффузии в объем взаимодействующих материалов. Энергетическая гипотеза природы образования бездиффузионных спаев исходит из того, что для образования СБЯзе!! необходимо, чтобы энергия атомов кристаллических решеток кон-тактир\ ющих материалов превышала определенный энергетический барьер. После его преодоления и образования двухмерных зародышей, если выделяющаяся энергия достаточна для образования межатомных связей, в зоне контакта начинается спонтанный процесс увеличения площади спая. При взаимодействии твердого и жидкого металлов возможно образование химических связей различного типа. Начальной стадией взаимодействия во всех случаях являются химические реакции между атомами, находящимися на поверхности металлов, поэтому бездиффузионный спай имеет место только в период, предшествующий началу Протекания диффузионных процессов, начиная с момента возник-иовения контакта между твердым и жидким металлами. Бездиффузисиный спай экспериментально получен при взаимодействии металлов с пол1Гяерами и клеями, неметаллов друг с другом, неметаллов с металлами, а также между металлами в твердо-м состоянии. Процессы образования бездиффу-зионного соединения при пайке рассмотрены в работе [7]. Возможность получения бездиффузионного спая экспериментально подтверждена на примере пайки железа оловом. Как следует из табл. 2, период кристаллической решетки железа, контактировавшего с расплавленным оловом при 500 °С в течение 30 с, не изменяется. Это связано с.тем, что диффузия атомов олова в кристаллическую решетку железа затруднена. Постоянство периода кристаллической решетки железа при различном времени контакта с расплавленным оловом указывает на образовйние между ними бездиффузионного спая. Исследование изменения периодов кристаллической решетки олова позволило установить уменьшение их при увеличении времени контакта с твердым железо.м, что связано с переходом в расплав олова атомов железа, имеющих меньший атомный радиус, чем атомы олова При температурах пайкй железа оловом менее 500 С можно устойч1во получать бездиффузиониые спаи при более лТлнтельном времени (более 30 с) контакта твердой и жидкой фаз. Рйстворно-диффузионный спай. В результате смачивания паяемого мате-риа.1а расплавом припоя между ними возникает контакт - необходимое условие развития процессов химического взаимодействия. Одновременно со смачиванием происходит растворение паяемого материала в расплавленном припое, вследствие чего состав зоны сплавления меняется, пока не 2. изменение параметров решеток Fe и Sn в аазисимости 1гродолж11тельности контакта между ними при температуре пайки
достигнет равновесной концентрации /рис. 3), соответствующей пересечению изотермы температуры пайки с vTHHHefi ликвидуса (точка С). В процессе растворения одновременно идет диффузия атомов из жидкой 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 концентрации жидкой фазы к равновесному состоянию скорость растворения паяемого металла в ней замедляется, диффузия из жидкой фазы в твердую, а соответственно и массоперенос повышаются, вследствие чего начинает образовываться диффузионная зона. Если время выдержки при температуре пайки достаточно для достижения равновесного состояния жидкой н твердой фаз, то жидкая фаза будет иметь состав, соответствующий пересечению изотермы с ликвидусом, а паяемый металл в зоне спаев - с солйдусом диаграммы состояния. Если нагрев при пайке будет прекращен до момента достижения равновесного состояния жидкой фазы, то средний состав зоны сплавления не будет соответствовать точке С. После достижения равновесного состояния жидкой фазы ее концентрация постоянно соответствует точке С, равновесное состояние твердой фазы в зоне Спая (соответствует точке D) достигается за счет насыщения припоем диффузионной зоны и кристаллизации выделяющегося из расплава твердого раствора. С увеличением времени выдержки при температуре пайки кристаллизация идет до получения во всем объеме зоны спллвления состава, соответствующего насыщенному твердому раствору (точка D). Кинетика этого процесса определяется диффузией. Припой диффундирует в паяемый Металл вследствие чего в расплаве достигается перенасыщеяие паяемым металлом При определенном перенасыщении происходит выделение на поверхность паяемого металла твердого раствора состава, соответствующих) точке D. Процесс этот будет про-fotaxb до тех пор, пока не израсходуется жидкая фаза и не произойдет 1*олная кристаллизация. Равновесное .состояние и в этом случае не достига- Рис. 3. Диаграмма состояТ1ин (схема) ется. Если нагрев не прекращен, то продолжается процесс диффузионного выравнивания состава материала в зоне соединения. В итоге процесс взаимодействия паяемого материала с расплавленным припоем при образовании растворно-диффузионного спая условно можно разделить на три стадии: интервал концентраций А-С, когда ведущим процессом является растворение паяемого металла в расплавленном припое; интервал концентраций С-D, когда между составами жидкой (С) и твердой (D) фаз имеет место динамическое равновесие, происходит кристаллизация; Интервал концентраций D-В, когда жидкости не осталось и диффузия протекает в твердой фазе. Первая стадия ли.митируется или скоростью перехода атомов в пограничный слой, или скоростью их диффузии в расплаве припоя Если скорость перехода атомов паяе.мого материала меньше скорости их диффузии в жидкой фазе, то уравнение скорости растворения в случае взаимодействия чистых металлов имеет вид где N - число атомов, остающихся в единице объема расплав.пенного припоя, т. е. не выделяющихся на поверхность твердого металла, /- время; и) - вероятность перехода атомов паяемого материала б расплав припоя; р - поверхностная плотность паяемого металла (число атомов на единице площади); S - площадь растворяемсго участка паяемого Meraji-Ta; ш - ск [1] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||