Слаботочка.

иеудовлетворитель тя

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

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.,

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-






		у Огплаиая \
<;/ ховотая 1
qA 1 1 1
Ч 1 1 -ъ }Удоё.1етбооитерьная п/\ 1 i
А с хая 1 фоЪмь плолая\ tSi 1 1 1

0.6 0.8 So cosO, ma.f

Pml. 4. График длн определения минимально допускаемых 1начений иритерия смэч иваемости и растекаемости

	1 1 i
		1 1 1

!			зона чмаяоги
-KcirO,f5S--

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