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

образований получаем следующее соотношение, при котором припой может растворить покрытие полностью:

как было показано ранее, насыщение припоя в шве растворяю­ щимся твердым металлом происходит весьма быстро. Поэтому в случае растворения покрытий возможность насыщения жид­ кого припоя металлом покрытия зависит от относительных ко­ личеств твердого н жидкого металла на единицу площади их контакта, т. е. от толщины покрытия и величины зазора под пайку. Соотношение (16) представляет собой необходимое ус­ ловие полного растворения покрытия в припое.

Экспериментально проверяли соотношение (16) для случая

образцов из электролитического никеля по режимам, принятым для пайки стали. За величину растворимости принимали усред­ ненную по ширине кристаллизационных зон концентрацию ни­ келя,' которую определяли микрорентгеноспектральным ме­ тодом.

Образцы нержавеющей стали с никелевым покрытием тол­ щиной 20 мкм подвергали пайке в печи с такими зазорами, прикоторых неравенство (16) в одних случаях соблюдалось, а в других нет.

Микроструктура (рис. 18, а) и распределение никеля (рис. 19, кривая 1) в швах соединений стали, паянных припоем Г40НХ с зазором 0,3 мм, при котором условие (16) выполняется, свиде­ тельствуют о полном растворении никелевого покрытия в при­ пое. При пайке с зазором 0,06 мм 'содержание никеля близко к предельному, полученному при пайке чистого никеля. В микро-' структуре шва на границе со сталью видан неровный слой нерастворившейся части покрытия (рис. 18, б). Однако на кривой распределения никеля (рис. 19, кривая 2) участки, соответствую­ щие чистому никелю, отсутствуют.

Анализ микроструктуры и распределения никеля в шве со­ единения, паянного припоем ПМцЮ в печи с зазором, при ко­ тором условие (16) выполняется, показали, что полного раство-

ке с большим зазором меньше, чем при пайке с малым зазором, и отсутствуют участки чистого никеля.

Полученные результаты показывают, что соотношение (16) может быть использовано в практике пайки для выбора толщи­ ны покрытия и режима пайки, при которых обеспечивается полное растворение припоями технологических покрытий. При скоростном нагреве под пайку это условие соблюдается доста­

основного материала может привести к неполному растворению покрытия.

Изложим основные сведения, касающиеся закономерностей диффузии, а также приведем решения некоторых диффузион­ ных задач, возникающих при рассмотрении условий прохожде­ ния процессов гетеродиффузии в паяном шве.

Основой математической теории диффузии являются диф­ ференциальные уравнения Фика. Для нестационарного состоя­ ния, когда концентрация в каждой точке меняется в зависи­

в исследуемом температурном интервале диффузия не ослож­ няется фазовыми превращениями, достаточно хорошо описыва­

Т— абсолютная температура в °К.

Для определения диффузионных констант D0 и Q экспери­ ментальные данные по температурной зависимости коэффици­

ся при постоянной температуре, а также выполнять расчет диф­ фузионных процессов при использовании сложного цикла от­ жигов [68].

Скорость диффузии различных элементов в одном и том же металле-растворителе зависит от типа образующегося твердого раствора. Элементы с малыми атомными радиусами (водород, углерод, азот, бор), образующие с металлами растворы внедре-

ния, характеризуются значительно большими коэффициентами диффузии, чем элементы, образующие твердые растворы заме­ щения. Различия в скоростях диффузии вызваны прежде всего тем, что в растворах внедрения диффузия идет по междуузлиям кристаллической решетки, а в растворах замещения действует вакансионный механизм диффузии.

Для данного растворителя при постоянной температуре и со­ ставе процесс диффузии протекает гораздо быстрее в металлах

при увеличении содержания элементов в меди коэффициент их диффузии возрастает иногда на порядок величины. В некото­ рых системах повышение концентрации элемента напротив при-

водит к уменьшению коэффициента диффузии. Существуют раз­ личные способы экспериментального определения зависимости коэффициентов диффузии от концентрации (например, метод Больцмана — Матано), а также решения обратной задачи: на­ хождения распределения концентрации элемента при известной зависимости его коэффициента -диффузии от состава [25].

ре и меньшие энергии активации характерны для тонких метал­ лических пленок, полученных электролитическим способом или при испарении в вакууме.

фузии по сравнению с отожженным материалом. Закалка или облучение металла ядерными частицами приводит к повышению в нем концентрации вакансий, при этом увеличивается ско­ рость диффузии. Скорость диффузии вдоль границ выше, чем в объеме зерна. В связи с этим эффективный коэффициент диф­ фузии в поликристаллическом материале возрастает с умень­ шением размера зерна.

Заметное влияние на скорость диффузии в металлах оказы­ вают примеси (третий компонент). Если примесь понижает точ­ ку плавления или температуру ликвидуса металла, то коэффи­ циент диффузии в нем при любой заданной температуре увели­ чивается и наоборот. Влияние третьего компонента обусловлено изменением энергии межатомной связи в решетке металла-рас­ творителя, а также взаимодействуем легирующего элемента с атомами диффундирующего элемента. С увеличением энергии взаимодействия скорость диффузии внедряемого элемента уменьшается. Так, по данным М. Е. Блантера, легирующие эле-

вольфрам) замедляют диффузию углерода.

В большинстве технологических расчетов принимают, что коэффициент диффузии зависит только от температуры, приро­ ды диффундирующего элемента и того металла, в котором про­ исходит диффузия. Данные различных исследователей о вели­ чине коэффициента диффузии отдельных элементов в одних и тех же металлах весьма противоречивы. Это обусловлено преж­ де всего тем, что не всегда в должной степени учитываются факторы, влияющие на эту величину.

Кроме значений коэффициентов диффузии важным факто­ ром является величина концентрации диффундирующего эле­ мента в поверхностном слое каждой фазы. В процессе взаимо­

равновесные концентрации диффундирующих элементов. Эти концентрации зависят от температуры и конкретных особенно­ стей диаграммы фазового равновесия металла, составляющих диффузионную пару.

Решения уравнения (17) могут быть различными в зависи­ мости от конкретных условий прохождения диффузии, которые учитываются так называемыми начальными и граничными ус­ ловиями рассматриваемой задачи. Постановка начальных и граничных условий определяется геометрическими факторами и физическими представлениями о процессах, предшествующих диффузии.

Рассмотрим некоторые конкретные условия прохождения процессов диффузии в паяном шве для двухкомпонентной си­ стемы припой — основной металл.

При температуре пайки в контакте находится твердый основ­ ной металл и жидкий припой. Как было показано ранее, в те­ чение весьма короткого времени припой в шве насыщается рас­ творяющимся основным металлом. '

В дальнейшем преобладающим становится процесс диффу­ зии атомов металла-припоя в основной металл. При этом в поверхностном слое твердого металла в результате взаимодей­ ствия твердой и жидкой фаз на границе раздела поддержива­ ется насыщенный твердый раствор. Его концентрация соответ­

рез центр жидкой прослойки толщиной к, так что полная кар­ тина распределения будет симметричной относительно оси ординат.

ний і, т. е. на поверхности твердого металла постоянно под­ держивается равновесная концентрация диффундирующего эле­

деление концентрации диффундирующего элемента в твердой фазе (x>Ji/2), имеет вид: .

Функция ошибок Гаусса [1—erf (г)] может быть найдена из гра­

|

S

Q = 2 C S . ] / " ^

Условия диффузии в паяном шве, происходящей после охлаж­ дения и кристаллизации жидкого металла, оказываются иными.

Если основной металл и припой полностью растворимы друг