книги из ГПНТБ / Долгов Ю.С. Вопросы формирования паяного шва

Интегрируя это уравнение, получаем время заполнения вер­ тикального зазора

Все вышеприведенные расчеты основаны на предположении,

Необходимые для определения Re характеристики ряда метал­ лов приведены в табл. 4.

Для зазора ft=0,l мм и / = 5 мм с учетом данных табл. 4 величина числа Re получается около 600. Отсюда следует, что анализ процесса заполнения жидким припоем зазора под пайку, основанный на предположении, что поток ламинарный, пра­ вилен.

Согласно расчетам по формулам (5) и (7) время заполне­ ния медью, полностью смачивающей основной металл, горизон­

металлургической обработки поверхностей основного металла и припоя и характером их взаимодействия.

РАСТВОРЕНИЕ ЖИДКИМИ ПРИПОЯМИ ОСНОВНЫХ МЕТАЛЛОВ В ПРОЦЕССЕ ПАЙКИ

В большинстве случаев элементом паяного шва, имеющим наибольшие размеры, является кристаллизационная зона. При температуре пайки эта зона соответствует объему, занятому в шве жидким припоем.

Химический состаъ металла кристаллизационной зоны обыч­ но не совпадает с составом исходного припоя. Причин тому может быть несколько: растворение жидким припоем паяемого материала, обеднение припоя компонентами, переходящими в твердый раствор или образующими интерметаллические соеди­ нения с основным металлом, испарение летучих компонентов припоя и др. Степень развития этих процессов и их влияние на состав припоя зависят от конкретных условий проведения пайки, химического состава припоев и основных металлов.

В данном разделе рассматривается одна из наиболее частых причин изменения химического состава припоя в шве, а именно, растворение в жидком припое твердого паяемого материала.

Процесс растворения твердых веществ в жидких относится

в переходе атомов через межфазную границу. Лишь после пер­ вой стадии растворения возникают условия для развития про­ цессов гетеродиффузии, приводящих к изменению химического состава в объеме контактирующих металлов. Следует отметить, что диффузионные процессы начинаются по истечении некото­ рого промежутка времени, равного периоду релаксации пика межфазной энергии (так называемый период ретардации) [67]. При длительности контактирования металлов, меньшей периода ретардации, можно в принципе получить соединения разнород­ ных металлов без изменения их химического состава.

Однако расчеты показывают, что при ' взаимодействии рас­ плавленного металла с твердым время задержки диффузионных процессов незначительно по сравнению со временем контакти­ рования металлов как в условиях сварки, так и пайки. Следо­ вательно, в реальных условиях пайки диффузионные процессы практически всегда имеют место.

Вторая стадия растворения заключается в отводе атомов растворенного металла от межфазовой границы в глубь жид­ кости. Такой отвод происходит в жидкости диффузией и кон­ векцией (растворенные атомы переносятся жидкостью в процес­ се ее движения). Конвекция может быть вынужденнойили естественной. В последнем случае движение жидкости вызыва­ ется локальными изменениями ее плотности, возникающими

диффузии серебра в жидком висмуте и рассчитанные по этим данным значения толщин диффузионного слоя б. Как видно из данных табл. 6, диффузионный пограничный слой при всех тем­ пературах растворения имеет толщину около миллиметра.

Многочисленными исследованиями растворения твердых ме­ таллов в жидких установлено, что в статических условиях про­ цесс определяется именно диффузионной стадией [42]. Это ока­

жидкий металл, что она сохраняется для случая растворения сплавов, а также неметаллических материалов, например окис­ лов металлов в жидких металлах.

Существует ряд экспериментальных данных, которые свиде­ тельствуют о том, что в некоторых случаях определяющее влия­ ние на кинетику растворения оказывает скорость прохождения первой стадии процесса.

Так, М. Миякэ при изучении температурной зависимости константы скорости растворения никеля, меди и серебра в жидком висмуте обнаружил, что энергия активации растворе­ ния различна в разных температурных интервалах. В системе

энергии активации для процесса диффузии в жидком металле. Вероятно, изменение энергии активации растворения при по­ вышении температуры обусловлено тем, что возрастает роль первой стадии процесса растворения. При этом абсолютная ве­ личина констант скорости растворения остается достаточно вы­ сокой (10~4 —Ю- 3 см/сек) и увеличивается с повышением тем­ пературы.

Доказательства того, что скорость реакции на межфазовой границе может определять процесс растворения, получены при изучении кинетики растворения таких пар металлов, между ко­ торыми в процессе растворения возможно образование химиче­

ных интерметаллидов между твердым и жидким металлом. Это может быть объяснено появлением на поверхности твердого ме­ талла слоя интерметаллического соединения, замедляющего процесс растворения.

При исследовании взаимодействия железа с жидким алю­ минием была обнаружена зависимость константы скорости рас­ творения от времени [56]. Это явление можно объяснить только образованием на поверхности железа во время его растворения слоев интерметаллических соединений, тормозящих процесс растворения железа.

Экспериментальные данные по определению химического со­ става припоев в швах. Химический состав металла кристалли­ зационной зоны шва во многом предопределяет свойства паяно­ го соединения. Поэтому интерес к выяснению закономерностей растворения основных материалов в припоях не случаен.

Основная трудность постановки исследований заключается в необходимости проведения химического анализа весьма малых объемов металла. В связи с этим до появления микрорентгеноспектрального метода анализа объектами для исследований вы­ бирали преимущественно двухкомпонентные системы пропой — основной металл, например пайку относительно тугоплавкого металла более легкоплавким. Но даже в этих случаях недоста­ точная локальность применяемых методов исследования и от­ сутствие четкого разграничения отдельных зон паяного соеди­ нения приводили к получению противоречивых результатов.

лярный участок. С повышением температуры пайки концентра­ ция в шве компонентов припоя уменьшается. При относительно больших зазорах состав капиллярных участков швов мало за­

к равновесному составу жидкого сплава в системе алюминий — медь при температуре 620° С

А. С. Екатовой была изучена температурно-временная зави­ симость состава кристаллизационных зон швов, образующихся при пайке меди медносеребряной эвтектикой (припой ПСр72) и алюминия цинком [26]. В первом случае состав определяли методом количественной металлографии, во втором — химиче­ ским анализом.

Структура медносеребряного сплава, образующегося в шве при температурах пайки 850 и 900° С, состоит из дендритов из­ быточного твердого раствора на основе меди и эвтектики. Изме­ нение химического состава сплава приводит к изменению отно­ сительных количеств структурных составляющих, что и фикси­ руется методом количественной металлографии.