книги из ГПНТБ / Лашко, Н. Ф. Вопросы теории и технологии пайки

После адгезии при условии неизменяемости формы, поверх­ ности тел и их свободной поверхностной энергии общая сво­ бодная поверхностная энергия тела (I—II) будет:

5 і - СТ1 + О2 •5 2 + 5 о- 0*1,2.

Общая работа адгезии равна разности свободных поверх­ ностных энергий до и после адгезии:

Л = So(оі + о2—Оі,2) •

Работа на единицу поверхности 50) равная работе адгезии И?а будет

где О! и а2 — поверхностные натяжения первого и второго тела в контакте с газом; оі,2 — поверхностное натяжение между двумя контактирующими телами -после адгезии.

Такое выражение Wa называется соотношением Дюпре.

В первой стадии, при действии дисперсионной связи (или Ван-дер-Ваальсовой связи или физической адсорбции, при до­

происходит. Вместо него имеют место смещение электронов и возможное изменение их концентрации, а также индуцирующее взаимодействие на расстоянии.

Если частица и твердое тело способны химически взаимо­ действовать между собой (что связано с обменом электрона­ ми), то дальнейшему их сближению отвечает кривая (II) из­ менения потенциальной энергии U (г) вблизи поверхности ме­

талла (рис. 2).

Наиболее существенным критерием, позволяющим отли­ чать физическую адсорбцию от хемосорбции считается теплота адсорбции. Некоторые исследователи считают, что теплота физической адсорбции g*p^ 2 ккал. Скрытая теплота конден­ сации, хемосорбция g*c>gpДля перехода из первой стадии физической адсорбции во вторую (хемосорбцию) требуется затратить энергию активации gc.

Процесс физической адсорбции происходит быстро; про­ цесс хемосорбции — значительно медленнее. Для ее заверше­ ния требуется некоторое время активирования (инкубацион­ ный, латентный, ретардационный период); при хемосорбции образуется только один атомный или молекулярный слой, Процесс хемосорбции — экзотермический.

&

Вторая стадия образования соединения может перейти в третью, если одновременно с обменом электронов происходит и диффузионный обмен атомов (ионов), т. е. если вещества частично или полностью' взаимно растворимы. При этом также требуется затрата энергии активации, соизмеримая с энергией хемосорбции.

При когезионной связи между приведенными в контакт однородными или разнородными материалами исчезает по­ верхность раздела между ними, а следовательно, исчезает и поверхностное натяжение 0 1,2.

Если работа адгезии определяется поверхностной энергией на границе раздела соединяемых или разъединяемых мате­ риалов, то работа сочленения тел или веществ, образовавшего­ ся в процессе обмена атомами, будет равна работе, затрачен­ ной на исчезновение двух поверхностей. При расчленении тела работа когезии будет равна работе, затраченной на образова­ ние двух новых поверхностей.

При этом свободная поверхностная энергия равна

Si* oi-}“S2• '02-

После разрушения тела по аа1 и появления поверхности 5 0 и поверхностного натяжения 0 і,2 на этой поверхности свободная поверхностная энергия тел I и II будет.

Si* CT1 + S 2 - 01 + 2(7i,2-So.

Работа когезии Лк, равная работе образования поверхностей после разрушения:

Соединение между соприкасающимися фазами, не имеющи­ ми области однородности в многофазном сплаве после затвер­ девания, адгезионного типа. Не случайно равновесный эвтек­ тический сплав, состоящий из фаз без растворимости их ком­ понентов между собой в твердом состоянии, даже при наличии растворимости металлов в жидком состоянии, называют меха­ нической смесью.

Несмотря на принципиальную возможность образования эвтектик без взаимного растворения компонентов в твердом состоянии, этот предельный случай практически не встречает­ ся. Возможно, что в контакте эвтектических фаз образуется хемосорбционное соединение. При быстрой кристаллизации расслоение фаз может не завершиться, тогда в контакте фаз будет когезионное соединение.

10

Наличие в многофазной системе контакта фаз адгезионного типа (без участия растворимости после затвердевания хотя бы в одной фазе) является существенно необходимым и доста­ точным признаком наличия слабого звена в системе опреде­ ляющего устойчивость и надежность всей системы. Наличие в такой системе контакта фаз когезионного типа (с участием растворимости компонентов во всех контактирующих твердых

•фазах) указывает на вероятность устойчивости и надежности системы.

Учитывая степень адгезионного и когезионного контакта

•фаз в системах двойных сплавов в твердом состоянии, можно расположить их в ряд по возрастанию в них химической связи :,в результате взаимодействия между разнородными атомами

.компонентов (рис. 3).

Рис . 3. Двойные диаграммы состояния, расположенные по степени увеличения в них химической связи между разно­ родными компонентами.

Построение такого рода двойных диаграмм состояния по степени возрастания в них химической связи будет использо­ вано при обсуждении ряда явлений о взаимодействии фаз в лроцессах пайки и о влиянии их на свойства паяных соедине­ ний.

Значительно большее разнообразие возможных соединений фаз имеет место в неравновесных двойных системах.

Адгезионные и когезионные соединения веществ (в частнос­ ти, фаз) могут быть равновесными и неравновесными, послед­ ние образуются в процессе относительно быстрой кристалли­ зации.

Адгезия (прилипание) и когезия (сцепление) существенно ^различаются между собой. Адгезия всегда относится к разно­

11

родным соединениям; когезия относится и к однородным и к разнородным соединениям.

Термин когезия обычно откосится к сцеплению однородных жидких или твердых веществ з объеме. Закономерно отнести соединение твердых веществ, происходящих с участием обмена атомов (растворением, диффузией), также к когезионному ти­ пу, так как при этом образуется объем новых веществ (жидкий или твердый раствор, или химическое соединение), работа об­ разования которого не может быть определена только поверх­ ностным натяжением между контактирующими веществами.

Адгезия и когезия между твердым и жидким веществами, которые мы будем называть, как принято обычно, смачивани­ ем, может быть трех типов: 1) физическое или обратимое сма­ чивание [3], 2) хемоадсорбционное смачивание и 3) химиче­ ское смачивание, при котором имеет место растворение одного вещества в другом, взаимное растворение или химическая реакция.

Соединение путем физической адгезии происходит последо­ вательно, в две стадии, с химической адгезией — в три стадии

ссоответствующими энергиями активации.

Врезультате дисперсионной, хемосорбционной или электро­ статической связи, возникающей без обмена атомов (ионов), образуются соединения адгезионного типа. Такая связь возни­ кает, например, при склеивании неорганических веществ меж­ ду собой и с металлами, а также между некоторыми парами металлов, взаимно нерастворимыми и не образующими хими­ ческих соединений.

Следовательно, создание неразъемного соединения при пай­ ке происходит в две или три стадии, в зависимости от того, ка­ кие связи и какие элементарные частицы при этом вовлекают­ ся в действие.

Когезионные соединения всегда неразъемные, адгезионные соединения преимущественно разъемные.

Сварка плавлением и сварка в твердой фазе являются про­ цессами создания соединений преимущзственно когезионноготипа. Паяные соединения, возникающие в результате диффу­ зионных процессов между припоем и паяемым материалом, в частности, взаимного растворения основного материала и жид­ кого припоя, также когезионные.

Когезионные соединения, как правило, более прочные, чем адгезионные.

Для образования связи в паяных соединениях существенное

значение имеет создаваемое в процессе капиллярной пайки

12

давление на паяемые материалы, необходимое для создания требуемого капилляра между ними, для уплотнения паяемого шва и иногдг, для удаления (выдавливания) излишнего коли­ чества жидкого припоя.

Такой зазор может быть зафиксирован предварительно, на­ пример, сваркой деталей на конденсаторной машине, керновкой и т. п. или с помощью постоянно действующего давления (прижима), передаваемого на соединяемые детали и других.

Величина и равномерность зазора контролируется с по­ мощью щупов или предварительно закладываемых прокладок, нейтральных по отношению к припою и паяемому мате­ риалу.

Постоянно действующее давление на соединяемые детали при пайке обеспечивает более полное и качественное заполне­ ние зазора. Оно особенно необходимо при диффузионной пайке

Прокладка

ления; 5 — за счет разницы термических коэффициентов расширения паяемого материала и ограничительного кольца; 6—7 — за счет раз­ ницы давлений внутри контейнера й снаружи; 8—9 — за счет давле­

ния электродов и роликов контактных сварочных машин.

13

для уменьшения количества жидкого припоя и ускорения про­ цесса; при контактно-реактивной пайке; кроме того, такое дав­ ление позволяет сохранить стационарность режима контактнореактивного плавления или устранить из зазора избыток обра-. зующейся легкоплавкой' фазы. При металлокерамической пай­ ке постоянно действующее давление необходимо для уплотне­ ния формирующегося шва и образования плавных галтелей. Для некапиллярных способов пайки прижим необязателен.

Постоянно действующее давление на паяемые детали, ис­ пользуемое при капиллярной пайке, обычно относительно не­ велико (0,2—1, редко до 4 ат), однако оно имеет существенное значение для образования качественного паяного шва.

Такое давление может быть приложено статически, напри­ мер с помощью постоянного груза или давления электродов или роликов контактной сварочной машины, динамически (путем удара) или самопроизвольно, в специальных приспо­ соблениях. В таких приспособлениях широко используется давление, создаваемое при термическом расширении твердых тел или газа (рис. 4).

§ 2. Автономное и контактное плавление соединяемых металлов-основное различие между сваркой, плавлением, сваркой в твердом состоянии и пайкой

Во многих работах, посвященных пайке (монографиях, учебниках, статьях, популярных изданиях), постулируется, что в процессе пайки, в противоположность процессам сварки плав­ лением, основной (паяемый) материал не плавится (не рас­ плавляется). При этом неявно или явно предполагается, что расплавление твердого вещества никаким образом не связано

срастворением его в жидком веществе. Между тем, начиная,

споявления работы Гетри (1884 г.),, принято считать, что про­ цесс перехода твердого вещества в жидкое состояние путем растворения есть процесс расплавления [4], протекающий в специфических условиях.

Необходимо различать два вида плавления твердого тела:

автономное и контактное.

Автономное плавление твердого тела наступает в резуль­ тате его нагрева до температуры солидуса (частичное автоном­ ное плавление). Полное автономное плавление наступает в

14

результате нагрева его при или выше температуры ликвидуса. Такой вид плавления характерен при сварке плавлением твер­ дых тел или наплавке, при которых происходит автономное плавление кромок соединяемых металлов и образование общей жидкой ванночки, при кристализации которой образуется свар­ ной шов или наплавленный слой.

Контактное плавление может быть: а) контактно-реактив­ ным и б) контактным твердожидким; контактное твердожид­ кое плавление подразделяется на контактное твердожидкое термическое и контактное твердожидкое концентрационное.

Контактно-реактивное плавление имеет место при контакт­ но-реактивной пайке в контакте соединяемых твердых тел, об­ разующих эвтектику или непрерывный ряд твердых растворов- с минимумом температуры плавления при нагреве до темпера­ туры, равной или выше минимальной температуры плавления эвтектики или наиболее легкоплавкого твердого раствора, по­ ниже автономных температур плавления соединяемых тел.

Контактное твердожидкое плавление имеет место при пайке готовым припоем, пайко-сварке или напайке, когда паяемый металл находится в контакте с жидким. Контактное твердо­ жидкое термическое плавление происходит, когда жидкое тело- (припой), находящееся в контакте с твердым (смачиваемым), нерастворимо в последнем, но твердое растворимо в жидком, т. е. между ними происходит обмен внешними электронами, а также возможен односторонний переход атомов из твердого тела в жидкое. Относительное равновесие между твердым те­ лом и жидким при заданной температуре наступает при насы­ щении жидкой фазы твердой в соответствии с равновесным ликвидусом системы. Это состояние наступает очень быстро [5], так как поверхностные атомы изолированного твердоготела с нескомпенсированной связью (с характерным для него поверхностным натяжением о Тг) приобретают компенсирован­ ную связь со смачивающими его атомами жидкой фазы и пе­ реходят с малой энергией активации в последнюю. По утверж­ дению Нернста [6], достижение относительного равновесия твердой и жидкой насыщенной фазы происходит с бесконечной скоростью. Относительное равновесие нарушается в результате концентрационной диффузии в жидкости и снова восстанавли­ вается при переходе атомов из твердого тела в жидкое.

Контактное твердожидкое концентрационное плавление про­ исходит в два этапа. На первом этапе может происходить не­ равновесный процесс перехода (растворения) атомов твердоготела в жидкое одновременно с переходом (диффузией) атомов

•15

жидкости в твердое тело до насыщения (предела растворимо­ сти), когда в поверхностный слой сплава оудет в равновесии -с контактирующим жидким насыщенным слоем. Последующая, ■более медленная стадия растворения происходит в результате нарушения относительного равновесия при взаимных диффу­ зионных процессах атомов твердого тела в жидком и жидкого в твердом.

Исследования распределения элементов паяного шва вбли­ зи контакта с границей диффузионной зоны твердого тела по­ казывают, что при капиллярной пайке чистого металла с более легкоплавким (припоем) по их границе очень быстро устанавливается состояние, отвечающее температуре равновес­ ного солидуса двойной системы. В средней части паяного шза

материала при автономном или контактном плавлении при­ садочного материала. '

Существенным признаком пайки и напайки является толь­ ко контактное (контактно-реактивное или контактное твердосидкое) плавление паяемого или напаиваемого материала, при автономном или контактном плавлении припоя. При когезион­

один из них подвергается автономному, а другой — контактно­ му плавлению. Такой способ получил название сваркопайки

(ГОСТ 17349—71).

При сварке (когезионной или адгезионной) в твердом сос­ тоянии, в частности, при диффузионной сварке в вакууме, про­ цессы плавления не участвуют в образовании соединения.

Для обеспечения образования когезионной связи при этом способе сварки необходимы значительные давление и нагрев или длительное время контакта, что не всегда и не для всех конструкций осуществимо.

16

УчитШая рассмотренные выше особенности пайки, а так­ же особенности взаимодействия паяемого материала и жидко­ го припоя (смачивания, растекания, затекания в зазор) и пос­ ледующую кристаллизацию жидкой фазы, принято следующее определение пайки: «Пайка — процесс получения неразъемно­ го соединения материалов с нагревом ниже температуры их автономного расплавления путем смачивания, растекания и за­ полнения зазора между ними расплавленным припоем и сцеп­ ления их при кристаллизации шва» (ГОСТ 17325—71).

В соответствии с особенностями пайки как процесса полу­ чения неразъемных соединений, в паяном соединении разли­ чают следующие его участки (ГОСТ 17325—71).

паяный шов — участок паяного соединения с литой структу­ рой, закристаллизовавшийся в процессе пайки;

галтель паяного ш ва— участок паяного шва, образовав­ шийся у края зазора на наружных поверхностях соединяемых деталей под действием капиллярных сил.

диффузионная зона паяного соединения — участок паяного соединения, характеризующийся измененным химическим сос­ тавом основного материала, образовавшийся в результате диффузии компонентов припоя и паяемых материалов;

зона термического влияния — участок паяного соединения с входящими в него диффузионными зонами, характеризую­ щийся измененными структурой, химическим составом, свойст­ вами основного материала.

§ 3. Технологическая классификация способов пайки

Согласно ГОСТу 17349—71, в настоящее время установлена следующая технологическая классификация способов пайки.

1. По условию заполнения зазора припоем пайка подразде­ ляется на капиллярную, при которой расплавленный припой заполняет паяльный зазор и удерживается в нем под дейст­ вием капиллярных сил, и некапиллярную.

2. По механизму образования шва капиллярная пайка под­ разделяется на способы: пайку с готовым припоем, при кото­ рой используется готовый припой и затвердевание шва про­ исходит при охлаждении; контактно-реактивную пайку, при которой припой образуется в результате контактно-реактив­ ного плавления соединяемых материалов, промежуточных по-

U L l T A n L U n r A Q A R A

крытнй или прокладок; реактивно-флюсовую пайку^ЩЬ кото­ рой припой или слой полуды образуется в результате высажи­ вания металла из флюса; металлокерамическую пайку, при которой наполнитель металлокерамического припоя образует разветвленный капилляр, удерживающий при пайке жидкуючасть припоя в некапилляриом зазоре; диффузионную пайку, при которой затвердевание паяного шва происходит выше температуры солидуса припоя без охлаждения из жидкого сос­ тояния (рис. 5).

К некапиллярным способам пайки относятся пайкосварка,