|
| |
|
Слаботочка Книги Поскольку пайка происходит обычно при постоянном давлении окружающей среды, то указанное изменение потенциала называют изобарным. В об1цем случае изменение изобарного потенциала ве1цества при нагреве до температуры пайки Т2 определяется следующим уравнением [23]: + f?i -!- ACpj dT + J -I AS., Ti где АЯаа разоваиня (33) стандартная теплота об-(энтальпия) вещества; Ti ... Tj - температуры фазовых превращений в интервале от 298 К до 7 ;.; ACpj ... АС) - изменение молярной теплоемкости при соответствующих интервалах температур, Qi . . Q; - теплота фазовых превращений; ASgiis - изменение стандартной энтропии Указанные термодинамические пара метры подсчитывают на основании из-вестны.х положений физической химии Однако для расчета изменения изобарного потенциала до заданной температуры Т2 вместо уравнения (33) можно использовать с достаточной степенью точности более простую зависимость. Z,=AH.,,-aT,\gT -uJ-. -j-а iJ , ~riT ,- ! где Qq. fl] и - коэффициенты пропорциональности; Ji, /2 - константы. Результаты вычислении AZ, по формулам (33) и (34) приведены в справочных пособиях в виде таблиц и Графиков для конкретных химических реакций. Они охватывают диапазон температур пайки Т от 200 ло 2500 К и практически все встречающиеся случаи взаимодействия паяемых металлов и их окислов с галоидными газами (ВРз, ВС!я. ВВгз. PCI,.,), водородом, окисью и двуокисью углерода, метаном, хлором, фтором, бромом, углеродом, а также с HF, НС1 и НВг. Таким образом при отсутствии справочных данных, выражения (32) и (33) или (32) и (34) могут быть использованы для совместного решения с уравнениями, неравенствами и другими элементами температурного условия. Условие смачиваемости и растекаемости. А1ерой смачиваемости конструкционного материала жидким припоем является коэффициент смачивания: cos 0 = - (35) где а,2, Oi-j, и 033 - поверхностное натяжение на границах соответствующих фаз (в индексах: t - жидкость; 2 - газовая среда, в частности воздух, 3 - твердое тело). Если cos 0 = = 1, т. е, 0 = О, то смачивание полное Установлено, что при полном смачивании различные припои характеризуются разной площадью растекания Sp одинаковых по объему (в частности 0,33 см) навесок припоя на одном и том же конструкционном материале при одинаковых условиях пайки Однако нередки случаи получения больших значений Sp при неполном смачивании, что видно на графике (рис 3). построенном на основе анализа и обработки экспериментальных .[анных, приведенных в работе [22] В связи с этими 1Юложениями предложен комплексный критерий смачи-ваемости и растекаемости представляющий собой произведение покры -той припоем площади на косинус краевого .гла. Здесь этот фактор преобра юван в безоазмерный критерии в виде <с.р--С05в, (36) -шах где Sp и Siax - текущее и максимальное значения площади ржтекаиия навески припоя объемом 0,33 см при выбранных условиях панки
OA 0.6 1,0 Spjdiou Рис. 3. Области допускаемых и недопу скаемых значений {) и S при пайке Как видно на рис. 4, удовлетворительные значения фактора смачиваемости и растекаемости находятся в пределах 1. (37) 0,155 s£ Кс. График зависимости, приведенный на рис. 3, можно записать в виде полинома S = 1,3 0,06530+ !0-Х X 1,4380- - Ю- l,l720 где 0 - в градусах, а Sp -мерность дюйм. Решая совместно (38) имеет раз- выражения (36) и (Зй) и принимая Sg = 1,3 дюйм, получ.там расчетную формулу для безразмерного критерия: 0.769 cos 0 (1,3 - 0.06530 - + Юа-1,4380 - 10--1.1720-) (39) Как ей.(НО из этого выражения, при е о Кс. р = !, а при и =90 ЛХ. р = = о Графически эта зависимость представлена на рис 5, где выявлен критический \ гол смачивания вц]) = 37 , при котором доп\ скаемоа значение (Ас. р)тИ1 015 Это означает, что приЭ > вкр качество пайки неу ювлет-ворительное. Тчким образо.м. если из эксперимента выявлено хотя бы значение краевого \\ла в, то согласно выражениям (37) и (39) можно судить об удовлетворе- нии условия смачиваемости и растекаемости. К числу критериев, характеризующих растекаемость, следует отнести также время и скорость заполнения жидким припоем капиллярных зазоров. Однако последние одновременно зависят и от геометрических параметров соединений: размеров зазоров, протяженности швов, высоты подъема припоя по капиллярам и др. Поэтому рассмотрим условие, отображающее особенности конструкции паяемого изделия, Условие конструктивной приемлемости изделия. Это условие в виде системы количественных критериев выражает степень соответствия процесса пайки тем особенностям конструкции, которые должны быть приняты во внимание при проектировании изделий под пайку. Высота подъема h припоя в зазоре А может быть подсчитана по следующей формуле: 2ai2 cos 0 (40) где - поверхностное натяжение припоя в соответствующей газовой среде; у - удельный вес припоя. Опти-
0.6 0.8 So cosO, ma.f Pml. 4. График длн определения минимально допускаемых 1начений иритерия смэч иваемости и растекаемости
Рис, 5, Схемй к определению критическое! угла смачива мости по формуле (ЬЧ) каЛ!Л1ая величина зазорои А лежит в пределах 0,005 А 0,025 см- {411 Вертикальная сторона галтели припоя у в тавровом соединении, а следовательно, и радиус галтели R определяются при достаточном количестве жилкой фазы по формуле (42} Время заполнения припоем гори зоитально расположенного шва протя жен ность ю Ъ подсчитывается следу10 шим образом: Aaj2 cos в (43} гдр т - время, с; 11 - вязкость расплавленного припоя в момент заполнения зазора. Средняя скорость продвижения фронта жидкого припоя определяется по тем же исходным данным: Aoij cos в (44) Условие теплового баланса. Процесс пайки возможен при условии, когда располагаемое количество тепла t?p источника нагрева, за вычеом по терь с/п- яосТ(Т(>*п1о для рсплавле1.11я припоя и нагрева изделия до температуры пайки I В обшем виде услови : теплового баланса можно записать как- О - Цп = (11 ~гСг) X X {/а - t..} - im.>, (45) где и С] - масса и удельная теплоемкость металле! паяемого из !елия. и - масса и учельная теплоемкость припоя; /п- начальная (комнатная) температура изделия и припоя; /- удельная теплота плавления припоя. Неизбежные потери тепла (j связаны с нагревом рабочего пространства (муфеля, контейнера, соляной ванны и т и,), р.чзличпых приспособлений (фиксаторов, стапелей, нндукторо ), а также с радиационными н другими потерими. Для совместного решения выражения (4ь) с уравнениями и неравенствами температурного условия необходимо представить его в следуюшем ви le: 0..-H-/m, Значения и q,j обычно подбирают экспериментально применительно к имеющемуся оборудованию . 0.1-нако условие теплового баланса можно реализовать и расчетным путем, если ввести критерий экономичности Д для выбранного способа нагрева при пайке: /э - (47) Получив численные значения на основе обработки статистических дан-ных, М0ЖН11 использовать их для расчетов, поскольку совместное решение выражений (45) -(47) приводит к удобному для этого виду: h-U = (48) Условие металлургического взаимодействия припоя с паяемым материа- юм, в процессе пайкн, если соблюдено условие сман заем ости и расте-кнемости, наступает процесс металлургического взаимодействия расплавленного припоя с паяемым материалом Характер и степень этого взаимошй-ствия в значительной мере зависят от того, насколько легкоплавок или тугоплавок выбранный припой Попытки за!П5ежныч и отечественных исследовать гей классифицировать припои на особолегкоплавкие. легкоплавкие, срелнеплаикие и т.д. (см ГОСТ 19248-73), не определяют ден- ствтельного характ\ pii вза1!иод1.йе1 ВИЯ с паяемым млн риалом и их нсл;.-я считать в зтом отношении \довдетво рительнымн. Для научной oueiiKH ожидаемого взаимодействия припоя с [1аи( мым ма терна л ом прежде Bcei о необхо.шмо сопоставить их абсолютные TCMiicpa туры плавления, т, е, выч!!сли1ь критерий легкоплавкое lit припоя Аз 77 (49) где 7з и Ti - абсолютные температурь! начала плавления припоя и паяемого материала. Значение может изменяться в пре делах от О до 1. Эют интервал следует расчл!:нить на два: для легкоплавких и для тугоплавких, приняв границей между ними значение Кз, соответсп ь\ ю ш,ее порог) рекристаллизации паяемого материала Так, для чистых металлов, используемых в качестве паяемых конструкционных материалов, граничгос значение /Сд = 0,4. СледоваткУ.1,;]0 легкоплавкими припоями для !ь va мых чистых металлов могут назы11<1Т1.;:я такие сплавы илн чистые металлы. ;л;! которых соблюдается условие- О < /Сз < 0,4, (50) а тугоплавкими - те нрнпои, для которых 0,4s=;Kil (51) Следует заметить, что при такой классификации один и тот же припой может быть и ле1 коплавкин. и тугоплавким, в зависимости от того, с каким паяемым материалом сопоставляется. Так. для железа с 1539С медь (/,ч = = 1083 X) характеризуется значением /Сз 0,75 и. следовательно, является птонлавким припоем В то же время для вольфрама медь - легкоплавкий припой, поскольку в этом случае К-л = 0.37 Паяные соедииения, выполненные легкоплйвкими припоями, могут по, вергаться неоднократной перепайке с разборкой и поэтом\ их следует называть легкоразъемными, в то время как другие соединения следует называть тр\лноразъемными Это опровергает имеющееся в литераторе мнение о nafiKe как способе создания неразъемных соединении, которое не о;j-i/Kaef практических нозмижнjcreii HdiiKH и резко нх ограничивает, [)iscienne критерии предонреде ,;пет выбор мягкого или жесткого режима нагрева при пайке, характеризуемою скоростыо нагрева: = d7/(dT). (52) Значение этого критерия может быть подобрано эксперим1;Н1алы1о или вы -4HCjeiKj, naH[MiMtp, по следуютс!) фар муле Vu = 7аср(7 - 7)-8срОо7, (53) Логическая связь между критериями Кз и у состоит в том, что если вычисленное значение Кз, согласно (49), у.швлетворяет условию (51). то в этом :.1учае необходимо назначить жесткий режим нагрева. Если же критерий удовлетворяет условию (50), то допустимы н тот, и другой режимы iiarpeea. Условная граница между этими режимами может быть принята на основе обработки статистических данных при 10 С мин 231- Существует также связь между pi-жимами нагрева и интервалом кристаллизации припоя Д/з. При соблюдении \словия О а;. 50 X (54) допустимы и мягкий и жесткий режимы При > 50 X (55) рекомендуется жесткий режим нагрева, поскольку в противном случае имеется опасность пол\чейия некачественного соединения [23[ Связь критерия Лз с коэ!ффициен-тами Ki и K-i может быть установлена по формуле К, (/., + 273) Произведение коэффициентов КгЛз = 4 (57) может быть найдено, в соответствии с (9) и (49). в начале технологического проектирования по известным из технического задания значениям Tj и Т, поскольк\ где Л,1 - гомологическая температура конструкционного материала, по которой вычисляют показатели высоко температурной прочности При панке происходит обменная диффузия между атомами припоя и паяемого металла, самодиффузия атомов, растворе}]ие паяемого металла в жидком припое, образование новых фаз и, в частности, химических соединений. Последующая кристаллизация сплава, образовавшегося в паяном шве, наиболее существенно влияет на своГ(-ства соединения. Диффузию можно определить как кинетический проиесс, связанный с выравниванием неодинаковых концен -граций данного компонента в различных местух фазы, обусловленный молекулярным тепловым лвижеиием. За -коны диффузии впервые установлены А. Фи ком. Диффузионная [юдвижиость атомов металлов в твердых растворах сплавов но.ииняется гомологическом) закону диффузии: -lgD-9 43(l-7-д ф/7п,)- (59) где D - коэффициент самодиффузии металлов, а ТдпфТпл ~~ гомологическая температура .тля диффундирующего металла. Согласно формуле (59) металлы имеющие более низкую температуру плавления и, следовательно, меньшие :илы межатомной связи, при одной и той же температуре, например при диф - проявляют большую диффузионную подвижность. .Металлы с более высокой Гпл имеют меньшую диффузионную подвижность в растворе сплава Отсюда могут быть сделаны выводы о возможности оценки уироч няющего и разупрочняющего влияний компонентов в зависимости от соотношения Гпл растворителя (в данно-N случае Г,) и растворяемого мате оиала. т е различных значений Скорости самодиффузии металлов в твердом состоянии (Г <: Тця) имеют общий порядок Значений, определяемых D - Ш-Ю* см-/с, тогда как 3 жидком состоянии (Г 7 пл) ско-;эости самодиффузии скачкообр.13но увеличиваются в 10-г 10* раз. т. е до значений £) = 10 10 гм/с. Ih-вестно также, что разница скоростей тиффузии элементов в каком-либо металле и их самолиффузии в житком состоянии меньше, чем в тверл(1м Использование законов диффузии .13 ет возможность а}алптически решать некоторые проектио-технологи ческне задачи пайки Так, в общем случае, когда скорость растворения металла в припое зависит о.щовремеиио и от скорости псрехо.ча атомов паяемого (твердого) металла в расплавленный припой и от скорости диффузии в житкоп фазе, уравнение, описывающее кинетику растворения [19] имеет вид - 1п I - где с - концентрация паяемого металла в расплавленном припое при i, %; Coo - концентрация насыщения расплавленного припоя паяемым металлом при - время, с; Д - зазор в соеди ней ии под пайку, см; а - константа скорости растворения, см/с: (Gi: где (li-, - вероятность перехода атомов паяемого металла в расплавленный припой; р - поверхностная плотность основного метал-та пли число атомов на поверхности единичной площади, D - коэффициент диффузии атомов паяемого металла в жидком припое, 5 - суммарная ширина пограничного слоя и тнффучиониой зоны со стороны припоя, Ю- С Долговым получены значения константы а, тля случаев пайки меди висмутом, свинцом и оловом алюминия висмутом и силумином нихрома никель -кремниевым припоем и припоем системы никель-бор-кремний-молибден при 300 -2 <Т 1250 С Установлено, <ito в пнс-смотоенных случаях а изменяется от 0,55. Ю - до 5,b.lO- см/с- Это позво-1Я£т представить выражение (60) i> пае номограммы (рис 6) Если в процессе тиффузии между основным металлом и припоем образуется одно или несколько интерметаллических соединений в виде слоев, то каждый из них растет с различной скоростью. Для иллюстрации этого механизма можно использовать выражение первого закона диффузии Фика, которое после преобразоБа1шй и интегрирования ]19] имеет вид xi == 2D т, [G2) где X - толщина слоя интерметаллида; Дс- разность концентрации на гра-Еицах отдельного слоя интерметаллида при температуре - коэффициент пропорциональности, имеющий ту же размерность, что и кощеитрация вещества. Таким образом, согласно (G2) тол щи на слоя интерметаллического соединения X увеличивается в зависи -мости от времени выдержки т при пайке по параболическому закону. Выражение (62) можно использовать, с известными допущениями, для оценки перемещения в единицу времени атомов в жидком и твердом Хтв состояниях вблизи Т л, приняв -ж-тв = V D/DtB (63) При Dhvtb = 10 получим соответственно ж = -тЕ- 10-. (64) Выражения (59)-(63) в неявной форме зависят от что открывает возможности использования последних для проектировочных расчетов, в частности при диффузионной пайке [8, 12 19]. Для процесса диффузии в твердых фазах должны соблюдаться следующие условия: 1) малое различие в разме pax диаметров атомов паяемого металла и компонентов припоя, не превышающее iS-16%; 2) определенная растворимость припоя в конструкционном материале, что может быть выявлено по данным бинарных диаграмм состояния сплавов. В общем случае толщина диффузионного слоя X в твердых телах в зависимости от темиературы и продо,:1ЖИ тельности процесса может быть определена по выражению х2У Атехр[~ В/(2Т)],
01 0,2 0,3 Ofi 0,5 Л,мм Рис. f). И.(мемение отнпсительной концентрации С в зоне сплавлении пт времени выдержки т при температуре пайки t2 = 1200С и размеров зазора Д (паяемый материал - нихром, припой - система Ni - В - /У1о - Si) где т - время, с, 7 - температура. К; А и В - постоянные коэффициенты. Для определения последних обычно составляют два уравнения с извест-ны.ми значениями толщины слоев, получаемых экспериментально После этого можно рассчитать толщину Диффузионных слоев, которые образуются при любых других режимах их образования Так, например, если исследуется диффузия кремния в железо и известно, что при 3.6-10 с и Г, 1223 К толщина слоя л1 = 0,0072 см, а при Г2 = 14,4- I0- с и Га 1323 К Х2 = - 0,0205 см, то при решении системы уравнений согласно (65) получим значения А = 3,46- \0~ и S = 1,964-10, позволяющие всесторонне изучить взаимодействие кремния и железа при любых Тит. При пайке .меди, латуни и мягкой стали припоями на оловя и но-евин новой основе установлена эмпирическая связь между зазором Д и температурой пайки tz из условия получения максимальной прочности паяного соединения в следуюшем виде [10]: ?2 = 183 -г 8.34 Д (66, где Д - зазор, мм; - температура пайки, С. Расчетная кривая для этого случая приведена на рис. 7, точками нанесены экспериментальные данные [5, 10 [ Эт корреляцию можно считать за- (65) * В раиотах [о. 10] этот иоэффи чиент эшибочио vKaaan равным 0,34. 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 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||