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

пературе пайки, начальное распределение припоя в шве можно представить так, как показано на рис. 25, а сплошной линией. Решение уравнения (17) при этих условиях имеет вид:

Изменение характера распределения припоя в шве в ходе диффузии схематично показано на рис. 25, а штриховыми ли­ ниями.

Если же припой ограниченно растворим в основном метал­ ле и кристаллизационная зона имеет двухфазную структуру, например эвтектическую, исходное распределение металла-при­ поя и распределение после диффузионного отжига паяного шва в твердом состоянии будет таким, как показано на рис. 25, б. Средний химический состав кристаллизационной зоны отвечает составу жидкого раствора, образовавшегося в шве при темпе­ ратуре пайки (С^°). При этом в структуре сплава присутствуют две фазы постоянного состава. В пограничном слое основного металла поддерживается предельный для данной температуры диффузионного отжига твердый раствор припоя в основном металле Ст. В процессе отжига средний химический состав двухфазной зоны шва не изменяется, а ее толщина постепенно уменьшается вследствие диффузии металла-припоя в основной металл, как показано на рис. 25, б.

Расстояние

В отличие от случая полной растворимости припоя и основ­ ного металла в твердом состоянии при двухфазной структуре кристаллизационной зоны диффузия в нее атомов основного металла при отжиге не происходит. Рассмотрим так называе­ те

мую реакционную диффузию — диффузию, сопровождающуюся образованием новых фаз, в частности интерметаллических со­ единений.

При атомной диффузии миграция диффундирующего элемен­ та происходит в решетке основного металла, с которым этот элемент образует твердый раствор того или иного типа. Макси­ мальная концентрация элемента ограничена его растворимостью в металле при температуре процесса и снижается в направле­ нии диффузии, как показано на рис. 26 (кривая / ) .

В случае реакционной диффузии этот процесс сопровождает­ ся возникновением новых фаз, отличных по своему кристалли­ ческому строению от металла-растворителя. Диффузия разви­ вается внутри отдельных фаз. По обеим сторонам межфазной границы устанавливаются вполне определенные составы (С\ и С2 на рис. 26), соответствующие границам двухфазной области соприкасающихся фаз на диаграмме состояния. Распределение концентрации элемента по толщине диффузионной зоны при ре­ активной диффузии характеризуется наличием скачков концент­ раций в местах перехода от одной фазы к другой (рис. 26, кри­ вая 2).

У двухкомпонентных систем двухфазная зона в диффузион­ ном слое в изотермических условиях отсутствует в связи с тем, что в такой зоне фазы имеют строго постоянные составы (нет градиентов концентрации в объемах каждой фазы), что исклю­ чает возможность прохождения диффузии. Сосуществование двух фаз возможно только вблизи контактной поверхности. Присутствие же изолированной фазы, содержащей повышенную концентрацию внедряемого элемента, в зоне обедненной им фа­ зы маловероятно. Такая возможность реализуется только при резкой анизотропии свойств металла, например, в связи с пре­ имущественной диффузией внедряемого элемента вдоль границ зерен.

Существуют два представления о механизме образования но­ вых фаз при реакционной диффузии.

Согласно Д. А. Прокошкину новые фазы возникают только после того, как концентрация диффундирующего элемента до­ стигнет предела его растворимости в исходном металле.

По мнению В. 3. Бугакова, сущность реакционной диффу­ зии заключается в том, что независимо от взаимной раствори­ мости в зоне контакта двух металлов может происходить хими­ ческая реакция с образованием интерметаллических соединений непосредственно на границе раздела реагирующих металлов. В качестве доказательства тому В. 3. Бугаков приводит ре­ зультаты наблюдения за последовательностью появления фаз в процессе реакционной диффузии. Так, при взаимодействии меди с цинком в первую очередь возникает слой у-фазы, кото­ рая не находится в равновесии с твердыми растворами этих металлов. Первоначально такая промежуточная фаза, по мне-

нию В. 3. Бугакова, может появиться только в результате не­ посредственной химической реакции на поверхности соприкосно­ вения металлов, поскольку энергия образования этой фазы ми­ нимальна по сравнению с другими.

Анализируя вышеуказанные точки зрения на механизм обра­ зования новых фаз при реакционной диффузии, А. А. Попов указывает, что чисто реакционный процесс может привести лишь к появлению фазы, имеющей исключительно малую тол­ щину [47]. Обнаружить возникновение такой фазы на поверхно­ сти металлов при обычных методах исследования невозможно. Фиксировать появление новой фазы можно только после увели­ чения ее толщины в процессе выдержки. Рост же фазы невоз­ можен без диффузионных процессов, протекающих как внутри новой фазы, так и в прилежащих участках основного металла. Вне зависимости от действительной последовательности возник­ новения новых фаз на поверхности в первую очередь обнаружи­ вается та фаза, которая растет с наибольшей скоростью. Сле­ довательно, обычное изучение последовательности образования новых фаз при реакционной диффузии не может дать ответа на вопрос о механизме образования новых фаз, т. е. о том, воз­ никают ли они в результате химического взаимодействия или после насыщения поверхности диффундирующим элементом.

Кинетика роста иитерметаллидных слоев при реакционной диффузии описывается параболической зависимостью от вре­ мени:

б = тс К Г ,

заны с механическими нарушениями сплошности в зоне диффу­ зии (растрескиванием, отслаиванием, порообразованием), что приводит к нарушению граничных условий диффузии.

При относительно низких температурах отжига на кинети­ ческих кривых роста слоев отмечается инкубационный период — промежуток времени, в течение которого слои не появляются. Некоторые исследователи объясняют его причинами, не связан­ ными с механизмом диффузии, а отсутствием хорошего контак­ та по поверхности раздела, наличием окисных пленок и др.

Существующие представления о механизме соединения ме­ таллов в твердом состоянии позволяют объяснить наличие ин­ кубационного периода с точки зрения времени, необходимого для возникновения между металлами химической связи и релак­ сации пика межфазовой энергии, что предшествует процессам гетеродиффузии.

Поскольку образование и рост слоев в диффузионных зонах есть термически активируемый процесс, то время начала появ-

ления фаз при реактивной диффузии зависит от температуры в соответствии с соотношением:

симости от температуры имеет большое практическое значение, так как появление интерметаллидных прослоек в переходной зоне соединений разнородных металлов вызывает снижение их прочности и пластичности.

Прочность соединений становится тем ниже, чем шире слой интерметаллида. В ряде случаев рост интерметаллидных фаз приводит к самопроизвольному разрушению соединений.

Ухудшение механических свойств соединений при появлении прослоек связано главным образом с низкими механическими свойствами интерметаллидных фаз и прежде всего их высокой хрупкостью. О хрупкости интерметаллидных прослоек свиде­ тельствует растрескивание их под действием термических напря­ жений.

Во многих случаях охрупчивающее действие интерметаллид­ ных прослоек на соединение проявляется после достижения ими «критической» толщины. Менее толстые прослойки еще не ска­ зываются отрицательно на прочности соединений. Это объясня­ ется тем, что в прослойках докритической толщины малы на­ пряжения, обусловленные объемными изменениями.

Снижение прочности паяных соединений при росте интер­ металлидных прослоек может быть связано также с нескомпенсированностью диффузионных потоков, приводящей к образова­ нию диффузионной пористости и дополнительных внутренних напряжений.

ДИФФУЗИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА С ПОКРЫТИЯМИ ПОД ПАЙКУ

Применение покрытий на основных металлах находит все бо­ лее широкое' применение в практике пайки. В зависимости от назначения их можно условно разделить на три группы: техно­ логические, барьерные и покрытия-припои.

Технологические покрытия .(см. гл. 2) используются для об­ легчения условий пайки труднопаяемых материалов.

Покрытия-припои — это припои, которые наносят предвари­ тельно на поверхность соединяемых материалов. Такие покры­ тия позволяют эффективно решать многие технологические за-

дачи, возникающие при изготовлении изделий с большим коли­ чеством паяных соединений, расположенных в труднодоступных местах, например теплообменных аппаратов. Покрытия-припои позволяют получать хорошо пропаянные соединения при пайке с весьма малыми зазорами, а также в случае применения кон­ тактно-реакционного метода пайки.

Очень важно, чтобы химический состав покрытия, а следова­ тельно, и физико-химические свойства покрытий оставались не­ изменными вплоть до выполнения той роли, которая им пред­ назначена при пайке. Причиной нарушения химического соста­ ва покрытия-припоя могут быть диффузионные процессы между покрытием и основным металлом, которые приводят к измене­ нию температуры их плавления. В случае применения очень тонких покрытий для контактно-реакционной пайки диффузия между покрытием и основным металлом может привести к уменьшению количества жидкой фазы, образующейся при тем­

тава гальванопокрытия. При этом если диффузия железа и хро­

Как и все интерметаллические соединения, №А13 и Ы1гА13 отличаются повышенной хрупкостью при комнатной температу­

го покрытия сокращаются значительно меньше, чем алюминие­

ний и происходит трещинообразование в хрупкой интерметаллйдной прослойке NiAl3 (трещины распространяются нор­ мально по отношению к действующим напряжениям) и скалы­ вание никелевого покрытия по границе раздела NiAl 3 — алю­ миний.

Поскольку слой хрупких ннтерметаллидных фаз ослабляет прочность связи никелевого покрытия с алюмиииевомагниевой основой, то появление их в переходной зоне никель — сплав АМгб недопустимо.

Температурно-временные условия начала образования ннтер­ металлидных прослоек можно определить из кинетических кри­ вых роста новых фаз; они соответствуют величине инкубацион­ ного периода. На рис. 30 показаны зависимости температуры и времени выдержки, при которых наблюдается появление ин-

терметаллидных фаз в системах Ni — сплав АМгб и Ni—AI (плакированный АМгб). Обе кривые начала появления интер-

это, термообработку для улучшения прочности сцепления по­ крытия с основой следует проводить при температуре не выше

же неопасно, если продолжительность его не превышает вели­ чину инкубационного периода (см. рис. 30).

; / КОНТАКТНОЕ ПЛАВЛЕНИЕ

Явление контактного плавления заключается в том, что при нагреве разнородных металлов в зоне их контакта образуется жидкий сплав при температурах меньших, чем температура плавления наиболее легкоплавкого из них. Этот жидкий сплав и выполняет при пайке роль припоя.

Контактное плавление наблюдается у таких пар металлов, которые способны образовывать между собой сплавы более легкоплавкие, чем сами металлы. Диаграммы фазового равно­ весия таких металлов характеризуются наличием эвтектик или минимумов на линиях плавкости. Примером систем второго ти­ па могут служить медь — марганец, никель — палладий и др.

Температура начала контактного плавления соответствует эвтектической или температуре плавления наиболее легкоплав­ кого сплава в системах с полной взаимной растворимостью ком­ понентов в твердом состоянии. Необходимый перегрев для за­ метного начала процесса составляет менее 1°С. При этом жид-