Раздел 2.

АКТИВИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПАЙКЕ.

Современные представления о процессах образования соединений при сварке и пайке указывают на то, что их можно отнести к классу топохимических реакций, отличающихся двухстадийностью формирования прочных связей между атомами соединяемых материалов.

В течение первой, подготовительной стадии, происходит сближение соединяемых поверхностей или их участков на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия и подготовка к их взаимодействию. Сближение может достигаться различными путями: при сварке плавлением и пайке в процессе смачивания, когда имеется жидкая фаза, смачивающая поверхность твердого материала; при сварке в твердом состоянии в процессе совместного пластического деформирования двух материалов или одного из них. На первой стадии важную роль играют процессы электростатического взаимодействия. Первая подготовительная стадия в сварочной литературе получила название стадии образования физического контакта.

На второй, конечной стадии, приводящей к образованию прочного соединения, определяющую роль играют процессы электронного взаимодействия. Для чистых металлов и твердых растворов вторая стадия характеризуется образованием прочной «металлической» связи. В случае соединения разнородных материалов – металлов с другими металлами, металлидами, химическими соединениями, полупроводниками, процессы взаимодействия сводятся к образованию прочных связей в основном ковалентного и координационно-ковалентного типов.

Вторая стадия образования соединения называется стадией химического взаимодействия.

На практике получение неразъемных соединений с заданными свойствами осложняется двумя факторами:

• соединяемые поверхности покрыты слоем оксидов различной толщины и структуры, а также другими загрязнениями, поскольку любая поверхность твердого тела адсорбирует атомы внешней среды;

• контактирующие поверхности соединений вследствие макро- и микронеровностей соприкасаются лишь в отдельных точках, а при сварке плавлением и пайке могут не контактировать до расплавления присадочного материала (припоя) или соединяемого материала.

Достижение физического контакта между жидкой и твердой фазами при пайке облегчается высокой подвижностью атомов жидкой фазы (припоя). Однако для начала химического взаимодействия необходимо поверхностным атомам твердого тела сообщить энергию активации, которая необходима:

• для обрыва связей между атомами твердого тела и атомами внешней среды, насыщающими их свободные связи;

• для повышения энергии поверхностных атомов с переводом их в активное состояние.

Эта энергия может подводиться в виде тепловой, механической, радиационной и других видов энергии. Ее величина определяется химическим составом оксидов на поверхности материалов, энергией связи атомов в оксидах и сродством металлов друг к другу и к кислороду.

2.1. Энергия активации, активация поверхности при пайке.

Как отмечалось выше, подавляющее большинство химико-физических процессов взаимодействия материалов происходит в результате перегруппировки атомов и молекул.

Так как между элементарными частицами существуют силы притяжения, то эти перегруппировки связаны с ослаблением или полным разрушением одних связей и с возникновением или усилением других. Естественно, что эти процессы происходят с изменением потенциальной энергии атомов. Если атом находящийся в положении 1 (рис. 8) связан с другими атомами, то его потенциальная энергия U₁. При переходе в другое положение, например в положение 2, атом должен разорвать старые связи, т.е. преодолеть силы притяжения с другими атомами. Это произойдет только в том случае, если атом обладает избытком кинетической энергии, достаточной для преодоления потенциального барьера высотой U₀-U₁. Однако число атомов, обладающих таким избытком энергии не равно их общему числу. Из кинетической теории газов известно, что при беспорядочном движении атомов, число частиц обладающих некоторой энергией, определяется множителем:

(1)

где k – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура.

Следовательно, для нашей рассматриваемой схемы, отношение числа атомов с энергией U₀к числу атомов с энергией U₁будет:

(2)

Энергия Е_а – называется энергией активации. Ее обычно относят к одному молю вещества. Таким образом, число частиц способных преодолеть потенциальный барьер и участвовать в физико-химическом процессе, связанном с перегруппировкой атомов пропорционально активационному множителю.

Рисунок 8. Изменение потенциальной энергии атома при переходе из одного положения в другое.

Новая структура после перестройки атомов может занять положение 2 и 3. В первом случае потенциальная энергия U₂ меньше U₁, поэтому внутренняя энергия системы (при изохорных процессах) или энтальпия (при изобарных процессах) уменьшается. Такой процесс сопровождается выделением тепла (экзотермическая реакция). Для положения 3: U₃>U₁, процесс сопровождается поглощением системой эквивалентных количеств энергии.

Величина активационного множителя резко зависит от температуры. Все процессы, протекающие с участием энергии активации, ускоряются с ростом температуры.

Типичной зависимостью такого вида является зависимость коэффициента диффузии от температуры.

(3)

где D_о – предэкспоненциальный множитель;

Q – энергия активации процесса диффузии, характерная для данной системы;

R – газовая постоянная;

Т- абсолютная температура в К.

Определение диффузионных констант D₀ и Q производиться исходя из данных экспериментов, выполненных в интересующем интервале температур. Экспериментальные данные обрабатываются графически в координатах ln(D) – 1/T и аппроксимируют прямой линией. Тогда отрезок, отсекаемый на оси ординат равен ln(D_o), а тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс () соответствует величине Q/R (рис. 9).

Рисунок 9. Определение диффузионных констант.

2.2. Оксидные пленки и способы их удаления при пайке.