Физико-химические процессы при пайке

Листать книгу

Страницы: ... ... ...

скачать книгу Физико-химические процессы при пайке

Кристаллизация при пайке рассмотрена в связи с общей спецификой образования паяных соединений в результате затвердевания тонкой прослойки расплавленного металла
...
Применение ее будет постоянно возрастать в связи с внедрением в производство новых конструкционных материалов и переходом на высоколегированные стали, сварка которых вызывает значительные трудности
...
Поэтому наряду с разработкой припоев, флюсов, газовых сред и способов нагрева встает задача всестороннего изучения природы протекающих при пайке процессов
...
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ПАЙКИ Пайка металлов имеет наибольшее сходство со сваркой плавлением, но в то же время между ними имеются существенные различия, что требует самостоятельного подхода к разработке теории и совершенствованию практики пайки
...
При сварке плавлением соединение происходит путем плавления в зоне сварки основного и присадочного металлов и последующей кристаллизации образовавшегося между ними сплава
...
Этот признак, связанный с состоянием основного металла в процессе пайки, имеет принципиальное значение, так как характеризует природу процесса образования соединения при пайке
...
Поскольку при пайке силы связи возникают в контакте основной металл — расплавленный припой, которые находятся в неодинаковом агрегатном состоянии, имея разную природу, то процесс образования соединения при пайке будет иным, чем при сварке плавлением
...
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ ПАЙКИ Пайка металлов имеет наибольшее сходство со сваркой плавлением, но в то же время между ними имеются существенные различия, что требует самостоятельного подхода к разработке теории и совершенствованию практики пайки
...
При сварке плавлением соединение происходит путем плавления в зоне сварки основного и присадочного металлов и последующей кристаллизации образовавшегося между ними сплава
...
Формирование шва и образование связей в контакте основной металл — присадочный металл при сварке плавлением определяются способностью металлов в расплавленном состоянии давать общие фазы и характером кристаллизации
...
При этом смачивание и образование паяного шва происходят даже тогда, когда основной металл и припой не сплавляются и не образуют между собой химических соединений
...
Это преимущество пайки позволяет получать соединения без нарушения форм и размеров конструкции, а во многих случаях и без изменения структуры основного металла
...
Перечисленные особенности и преимущества пайки привлекли к ней пристальное внимание специалистов самых различных отраслей знания как в нашей стране, так и за рубежом
...
Пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии путем введения в зазор припоя, взаимодействующего с основным металлом и образующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва
...
В исходный момент взаимодействия образование раствора основного металла в расплаве припоя наблюдается только в узких слоях, непосредственно примыкающих к поверхности твердого металла
...
В исходный момент взаимодействия образование раствора основного металла в расплаве припоя наблюдается только в узких слоях, непосредственно примыкающих к поверхности твердого металла
...
Последующее взаимодействие на границе основной металл — расплав припоя при температуре пайки приводит к дальнейшему растворению основного металла и образованию между ними сплава во всем объеме жидкого металла, находящегося в соединительном зазоре
...
В процессе пайки в результате диффузии компонентов припоя в основной металл, а также диффузии отдельных компонентов основного металла в зону шва образуются диффузионные зоны
...
Схема строения шва в начальный момент образования зоны сплавления тате взаимодействия жидкого припоя с основным металлом и последующей кристаллизации
...
Слой изотермической кристаллизации — прослойка постоянного состава, образующаяся при температуре пайки в результате выделения из расплава зоны сплавления на подложку твердой фазы
...
Конструкционные металлы, с которыми приходится иметь дело при производстве паяных изделий, представляют собой поликристаллические тела, состоящие из различно ориентированных кристаллитов или зерен, которые не однородны и состоят из кристаллических блоков размерами
...
Лишняя плоскость в случае краевой дислокации или сдвиг решетки при винтовой дислокации вызывают смещение ионов из мест с наименьшим запасом потенциальной энергии, следствием чего является возникновение избыточной энергии по сравнению с регулярной решеткой
...
Неоднородность кристаллов, наличие на них мест выхода различных дефектов являются причиной избирательной активности, так как места выхода дефектов обладают повышенным химическим потенциалом
...
Согласно рентгенографическим исследованиям, проведенным на жидкостях, установлено, что при температурах, близких к точке кристаллизации, жидкое состояние обнаруживает значительную степень упорядоченности, сохраняя расположение атомов, свойственное кристаллической решетке
...
На начальной стадии взаимодействия образование общей границы твердого и жидкого металлов при пайке связано со стремлением системы снизить межфазную энергию
...
Пайка в общем случае может осуществляться в среде нейтральных или активных газов, а также на воздухе под слоем растворов или расплавов различных флюсующих веществ, с которыми металлы в зависимости от химизма флюсования могут в той или иной степени взаимодействовать
...
Если реакция не требует разрыва имеющихся в поверхностном слое основного металла и припоя связей, то в первую очередь по ним будет протекать взаимодействие
...
Поэтому наличие на поверхности металлов адсорбированных или химически связанных пленок приведет к уменьшению количества взаимодействий между атомами основного металла и расплавленного припоя и, в итоге, к снижению прочности спая
...
Это обстоятельство, а также сообщение поверхностным атомам твердого и жидкого металлов дополнительной энергии активации вынуждают обращать особое внимание на удаление с поверхности взаимодействующих металлов окисных пленок и прослоек, разграничивающих взаимодействующие твердый и жидкий металлы
...
После удаления окисных пленок, как только температура нагрева достигнет точки плавления припоя, а атомы металлов — требуемого уровня энергии активации, начинается взаимодействие, в процессе которого проис
...
В процессе смачивания две свободные поверхности заменяются одной границей фаз между твердым металлом и расплавом припоя с более низкой свободной поверхностной энергией системы
...
Поскольку при пайке происходит смачивание основного металла и возникает ориентационное соответствие частиц твердого металла и расплава, то необходимость благоприятной ориентации можно не учитывать
...
Расплавленный припой собирается в каплю и в таком состоянии остается на поверхности основного металла, между тем, как эти же металлы в других сочетаниях, например, тот же основной металл, но с другим припоем или наоборот, при приблизительно тех же условиях и режиме пайки взаимодействуют
...
Таким образом, если припой после расплавления при соблюдении требований, необходимых обычно для образования спая, не смачивает поверхность основного металла, это еще не значит, что между ними невозможно взаимодействие
...
При изменении температуры или других параметров процесса пайки условия взаимодействия в контакте основной металл — припой изменяются, что в свою очередь меняет условия равновесия в зоне реакции
...
При этом переход атомной системы основной металл — припой в равновесие в соответствии с новыми условиями осуществляется не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени
...
При пайке очень важно получить соединение с определенными свойствами, поэтому в ходе образования спая в некоторых случаях необходимо учитывать период релаксации межфазной энергии
...
В тех случаях, когда продолжительная выдержка не приводит к ухудшению прочностных характеристик спая, время контактирования основного металла с расплавом припоя может быть увеличено
...
Поскольку процесс пайки осуществляется при температурах, превышающих точку плавления припоя, а расплавленный металл зоны сплавления характеризуется ближним порядком
...
Увеличение продолжительности нагрева усиливает подвижность атомов, между которыми легче достигается контакт, а диффузионный обмен между атомами, если при этом не происходит образования хрупких фаз, приводит к упрочению возникших связей
...
Следует отметить, что соединение металлов в твердом состоянии, например, при диффузионной сварке осложняется наличием микрорельефа и связанной с этим трудностью обеспечения контакта по площади
...
Возникновение в связи с этим собственных напряжений в зоне спая может вызвать образование трещин в паяных швах, что должно учитываться при выборе припоя
...
Иногда наибольшие напряжения возникают на границе слой прикристаллизации — центральная часть зоны сплавления, вследствие значительного различия коэффициентов теплового расширения и наличия разницы в удельных объемах сосуществующих фаз этих зон
...
На этой стадии фактически заканчивается процесс образования спая, однако на границе основной металл — зона сплавления протекают процессы релаксационного характера, приводящие часто к снижению прочности из
...
В случае длительного взаимодействия металлов в процессе пайки, обусловленного, например, технологическими причинами, на второй стадии получают развитие растворно
...
Третьей стадией образования спая является кристаллизация, которая фиксирует процессы взаимодействия между основным металлом и расплавом припоя на том или ином уровне их развития
...
Если принять, что взаимодействуют чистые металлы и в процессе флюсования пленки с неметаллической связью с основного металла и расплава припоя удалены, то в зависимости от соотношения свойств основного металла и припоя, а также режима пайки возможны спаи
...
Процесс взаимодействия основного металла и расплавленного припоя, протекающий при наименьшем перегреве и ограниченный во времени, может быть зафиксирован на стадии хемосорбции, когда процессы гетерогенной диффузии на межфазной границе развития не получили
...
Поскольку в контакте основной металл — припой реакции идут в гетерогенной среде между металлами, находящимися в различных агрегатных состояниях, то развитие их связано не только с химическими превращениями, но и с переносом веществ из глубины фаз к поверхности, а также с удалением продуктов взаимодействия из зоны реакции
...
Скорость процесса взаимодействия между основным металлом и расплавленным припоем зависит от интенсивности переноса входящих в их состав компонентов в зону спая, скоростей взаимодействия и удаления продуктов взаимодействия
...
Если припой не насыщается основным металлом до состава, соответствующего ликвидусу равновесной диаграммы состояния при температуре пайки, то изотермическая кристаллизация в шве не происходит и спай представляет собой кристаллические образования на межфазной границе, возникающие в результате выделения избыточного компонента при охлаждении и последующей диффузии в твердой фазе
...
м, ТрОп, где Гнлошп — температура плавления эвтектики или твердого раствора с наименьшей температурой плавления в системах с минимумом на кривой ликвидуса
...
Если взаимодействующие металлы дают ограниченные твердые растворы с эвтектикой или не обладают растворимостью в твердом состоянии, то пайка при температуре Гк
...
Однако и в тех случаях, когда основной металл и припой не сплавляются и не образуют химических соединений, возможно смачивание легкоплавким металлом тугоплавкого и проявление адсорбционного эффекта
...
В то же время указанные легкоплавкие металлы при пайке смачивают железо и фольфрам, затекают в капиллярные зазоры и обеспечивают формирование соединений
...
По характеру частиц вольфрама в зоне сплавления можно судить о том, что в данном случае при пайке происходит не истинное растворение основного металла в припоях, а диспергирование на частицы коллоидных размеров в результате сильного снижения свободной поверхностной энергии под действием расплава припоя
...
Большие отклонения от идеальной схемы и сложность определения термодинамических свойств взаимодействующих компонентов затрудняют применение термодинамических закономерностей для расчета условий фазового равновесия
...
В особых условиях, например, при нвпылении жидких припоев на основной металл, регулируя температуру подложки, можно получить спаи, в которых массоперенос микрорентгеноспектральным методом не обнаруживается
...
В результате протекающего при этом растворения твердого металла в жидком припое состав зоны сплавления изменяется до тех пор, пока не достигнет равновесного при данной температуре, соответствующего пересечению изотермы с линией ликвидуса
...
временно идет диффузия из жидкости в твердую фазу, но поскольку скорость растворения твердого металла в жидком значительно выше, чем диффузия в твердой фазе, то устойчивого диффузионного слоя на поверхности основного металла не образуется
...
При достижении в шве равновесной концентрации жидкая фаза зоны сплавления будет иметь состав, соответствующий пересечению изотермы с линией ликвидуса, а граница основной металл — зона сплавления с линией солидуса диаграммы состояния
...
Пфанну, учитывающего наличие впереди фронта кристаллизации слоя, называемого диффузионным, в котором содержание рассматриваемого компонента повышено, имеет вид
...
В результате диффузионный массоперенос на границе фаз приведет к дальнейшему обогащению зоны сплавления основным металлом и соответственно основного металла припоем
...
Кинетика этого процесса после достижения равновесного состава жидкой и твердой фаз определяется соотношением скоростей диффузии припоя в основной металл и основного металла в зону сплавления
...
Диффузия припоя в твердую фазу снова вызывает пересыщение и последующее выделение из жидкости твердого раствора до тех пор, пока в зоне сплавления не останется жидкой фазы и не произойдет полная изотермическая кристаллизация
...
Первоначально же выделявшийся на подложку твердый раствор вследствие диффузии в твердой фазе обедняется припоем, концентрация которого понижается от равновесной, соответствующей солидусу
...
В результате пересыщения и взаимодействия образующихся в диффузионных зонах твердых растворов возникает жидкая фаза состава Д со стороны компонента А и состава Е со стороны компонента В
...
При более высоких температурах энергетически более выгодным становится образование жидкости, соответствующей по составу точке пересечения линии ликвидуса равновесной диаграммы состояния с изотермой температуры пайки
...
Поскольку диффузия в жидкой фазе на несколько порядков выше, чем в твердой, то следующей после образования жидкой фазы стадией будет взаимодействие между жидкостями состава йи
...
Последующее развитие процесса взаимодействия связано с диффузией компонента В из жидкости состава Б в металл А и соответственно компонента А из жидкости состава Е в металл В
...
Затвердевание зоны сплавления при температуре пайки в этом случае лимитируется интенсивностью диспергирования и процессами, способствующими удалению жидкости из соединительного зазора
...
ОСОБЕННОСТИ ФЛЮСОВАНИЯ ПРИ ПАЙКЕ Наличие окисной пленки на поверхностях основного металла и расплавленного припоя препятствует взаимодействию между ними
...
Перед пайкой или в процессе пайки на соединяемые поверхности деталей и припой наносят флюс в виде водных, спиртовых и глицериновых растворов, паст или в порошкообразном состоянии
...
Одновременно с удалением окисной пленки с поверхности взаимодействующих металлов флюс должен обеспечивать и другие условия, необходимые для протекания процесса пайки
...
Флюсы не удаляют посторонние вещества органического и неорганического происхождения, например, пленки жирового происхождения, загрязнения, остатки лакокрасочных покрытий и т
...
Роль активного флюсующего вещества выполняют в них отдельные окислы, имеющие наибольшее химическое сродство к окисным пленкам основного металла и припоя
...
Поэтому адгезия расплавленного флюса к основному металлу должна быть меньшей, чем расплавленного припоя, что достигается соответствующей композицией флюса
...
Хорошее вытеснение боратных флюсов расплавленными припоями при пайке сталей объясняется влиянием борного ангидрида, который сильно снижает адгезию солевых расплавов при смачивании поверхности железа
...
После смачивания основного металла флюсом и удаления с него окисной пленки образуется активная межфазная граница твердый металл — жидкий флюс, которая затем замещается расплавленным припоем в условиях, практически исключающих возможность взаимодействия с атмосферой воздуха, что обеспечивает высокое качество спая
...
КИНЕТИКА ПРОЦЕССА ФЛЮСОВАНИЯ Процесс флюсования при пайке включает в себя смачивание основного металла и припоя флюсом, удаление с них окисных пленок, вытеснение флюса из соединительного зазора расплавленным припоем и защиту места пайки от окисления образовавшимся шлаком
...
Согласно современным представлениям солевые флюсы в расплавленном состоянии имеют ионное строение, являясь электролитически диссоциированными системами
...
Поэтому адгезия расплавленного флюса к основному металлу должна быть меньшей, чем расплавленного припоя, что достигается соответствующей композицией флюса
...
Если флюс в исходном состоянии — твердое вещество, то до момента его расплавления основной металл и припой остаются не защищенными и в процессе нагрева под пайку окисляются
...
Таким образом, нагрев до момента растекания флюса сопровождается взаимодействием основного металла и припоя с компонентами окружающей газовой среды и дальнейшим ростом окисной пленки
...
Между поверхностным натяжением расплавленных солей и их внутренним строением существует определен Поверхностное натяжение солей, входящих в состав некоторых флюсов Наименование соли Химическая формула Температура,
...
В связи с этим соли, имеющие ионную кристаллическую решетку в расплавленном состоянии, отличаются высоким значением коэффициента поверхностного натяжения по сравнению с солями, имеющими молекулярную решетку, в которых молекулы связаны слабыми ван
...
Кроме характера связи в решетке, коэффициент поверхностного натяжения солей зависит от кристаллического строения, размеров ионов, температуры и других факторов
...
Зависимость поверхностного натяжения расплавленных солей от температуры В солевых флюсах, состоящих из нескольких веществ, поверхностное натяжение зависит от содержания отдельных компонентов
...
Наоборот, компоненты с большим поверхностным натяжением являются поверхностно не активными и концентрируются на поверхности в значительно меньшей степени
...
Если компоненты флюса имеют приблизительно одинаковое поверхностное натяжение и между ними не образуются химические соединения, то поверхностное натяжение флюса линейно зависит от его состава
...
Так, в атмосфере воздуха при прочих равных условиях краевой угол смачивания платины окисным флюсом вдвое меньше, чем в среде азота, аргона, водорода и в вакууме
...
Типы решеток, размер ребра элементарной ячейки а и кратчайшее расстояние между ионами й для хлоридов и фторидов, входящих в состав флюсов, а также некоторых окислов металлов
...

Справочник по сварке цветных металлов
Пайка металлов
Пайка металлов
Физико-химические процессы при пайке
Сварка, резка, пайка металлов
Сварка и резка металлов
Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Физико-химические процессы при пайке