4. Опишите основные физико-химические процессы, происходящие при пайке.

Смачивание и растекание припоя.

Согласно 1-му закону капиллярности (формула Лапласа)

, где и - давление с вогнутой и выпуклой стороны поверхности жидкости соответственно, - поверхностное натяжение жидкости на границе с газовой средой; и - радиусы кривизны поверхности.

Схема равновесия сил поверхностного натяжения капли жидкости на поверхности твёрдого тела:1- газ, 2- жидкость, 3- твёрдое тело.

Поверхностный слой жидкости, имеющий кривизну, оказывает добавочное давление по сравнению с тем, которое оно испытывает при наличии плоской поверхности. При растекании капли жидкости на плоской поверхности твёрдого тела условия её равновесия выражаются в виде равновесия векторов сил поверхностного натяжения в точке на границе трёх фаз. Этой границей является периметр смачивания:

2-ой закон капиллярности

- поверхностное натяжение между твёрдым телом и газово1й средой, действующее на каплю по периметру её основания; - поверхностное натяжение жидкости на границе с твёрдым телом;

, где - коэффициент смачивания, характеризует смачиваемую способность жидкости.

Факторы, влияющие на растекание расплавленного припоя: характер взаимодействия в контакте основной металл- припой, вязкость расплава припоя, жидкотекучесть. Особое значение приобретает, когда припой имеет высокий интервал кристаллизации и пайка происходит при температуре ниже температуры ликвидуса. Механизм растекания припоя связан с взаимодействием расплава припоя и его парообразной фазы с основным металлом, с поверхностной диффузией припоя, с капиллярным течением припоя. Растекание расплава припоя определяется соотношением сил адгезии припоя с поверхности основного металла и когезии, характеризуемой силами связи между частицами припоя.

Работа адгезии определяется свободной поверхностной энергией, освобождающейся при смачивании твёрдого тела жидкостью.

При полное растекание припоя по поверхности основного металла. Когезия частиц припоя оценивается работой, необходимой для разрыва жидкости и образования 2-х новых поверхностей.

. растекание капли припоя по поверхности основного металла произойдёт если, . - коэффициент растекания. . Растекаемость расплавленного припоя по поверхности определяется его поверхностным натяжением и краевым углом смачивания.

Капиллярное течение в припоях.

С хема поднятия жидкости при растекании её между двумя пластинами

- коэффициент растекания при ограниченном растекании

- коэффициент растекания при полном смачивании и растекании

При заполнении жидким припоем вертикального зазора существует равновесная предельная высота подъёма припоя

, где ρ- плотность жидкости; g- ускорение тяжести, а- величина зазора. определяется исходя из равенства силы тяжести столба жидкости на каждой единицы длины фронта растекания припоя в зазоре а и силы поверхностного натяжения припоя, удерживающей столб жидкости.

При горизонтальном расположении зазора глубина затекания припоя в зазор

, где η- вязкость припоя, t – время, необходимое для затекания припоя на глубину . Время заполнения зазора может быть определено

для горизонтального зазора.

При заполнении зазора вертикального высотой h

Приведённая выше формула позволяет производить лишь ориентировочные расчёты для оценки различных факторов на генетику растекания припоя. Это связано с тем, что коэффициенты смачивания и растекания зависят от соотношения величин поверхностного натяжения твёрдого металла и расплава. В свою очередь величина поверхностного натяжения как твёрдых, так и жидких металлов сильно зависит от свойств среды, на границе с которой определяется значение сил поверхностного натяжения, от сочетания состава и свойств в каждой конкретной паре “припой - паяемый материал”, окружающей среды и температуры нагрева. В связи с этим определение достоверных значений времени и высоты поднятия припоя для каждой конкретной конструкции, используемых материалов определяют экспериментально при разработке технологии пайки.

Самофлюсование в процессе образования спаев.

Для удаления окисных плёнок с поверхности основного металла и припоя в процессе пайки применяют флюсы, активные газовые среды, вакуум. Однако в ряде случаев эти средства оказываются недостаточными, особенно при наличии стойких окисных плёнок, содержащих окислы Al, Cr. Поэтому для улучшения условий смачивания и формирования спая в состав припоев вводят компоненты, продукты взаимодействия которых при пайке выполняют роль флюсов. Это бор, фосфор, Si, Ge, Ba и Li, K, Na. Процесс самофлюсования связан:

1) с восстановленными свойствами основы припоя и легирующих компонентов в нём

МеО+Р=Ме+РО

2) с флюсующей ролью окислов, образующихся при окислении с окислителями

МеО+РО=МеО+РО

3) с разрушением окисной плёнки под действием расплава припоя в результате проявления механизмов адсорбционного уменьшения прочности, диспергирования и последующего растворения окислов в расплаве. В основном процессы самофлюсования протекают по 3 механизму.