1.2. Теоретичні основи формування нерознімного паяного з’єднання

 

            Основними факторами, що визначають характер взаємодії твердого й рідкого металів при утворенні паяного з’єднання є  електронна будова  їх атомів, співвідношення атомних радіусів, положення  елементів у ряду електронегативності, валентність і потенціали іонізації.

            Неодмінною передумовою створення якісного з’єднання металів є відсутність оксидів на їх поверхні під час змочування розплавом припою. Для забезпечення такої умови метал з очищеною поверхнею нагрівають при паянні в захисному газовому середовищі, що не містить  кисню,  або використовують флюси, хімічна  дія яких звільняє поверхню металу від перешкоджаючих змочуванню прошарків.

            Основною рушійною силою переміщення рідкого металу по поверхні твердого металу є змочування й розтікання. У загальному випадку поширення рідини  здійснюється шляхом  поверхневої міграції адсорбованих атомів, випаровування та подальшої конденсації частинок на твердій поверхні й течію  порівняно товстих шарів  (фазова течія). Поширення, пов'язане з дифузією у твердій фазі, звичайно відіграє підпорядковану роль, тому що воно відбувається занадто повільно. У роботах [8, 9] розглянуто два механізми дифузійного поширення рідкого металу по твердому  при змочуванні. У першому  з них атоми рідкої фази, відриваючись від основної маси, переміщуються по твердій поверхні зі швидкістю, обумовленою коефіцієнтом поверхневої дифузії. Якщо атоми міцно зв'язуються з твердим тілом і повільно переміщуються по ньому, то поширення здійснюється шляхом самодифузії, яка залежно від  товщини шару рідини може бути поверхневою,  або об'ємною. Таке поширення  шляхом самодифузії звичайно називають "механізмом  килима, що розгортається".

            На першій, кінетичній  стадії змочування й розтікання, коли основну роль відіграє  дифузійне переміщення, швидкість процесу описується за формулою

 

 ,

 

де К - константа швидкості розтікання; σжт - поверхневий натяг на межі фаз; θо -  контактний кут  у момент  рівноваги; θ  -  контактний кут  у цей момент.

            В інерційному режимі, коли розтіканню чинить опір в’язка течія  рідини, установлена параболічна залежність зміни  радіуса  краплі, що розтікається, r  впродовж часу τ:

 

 ,

де α - коефіцієнт пропорційності; ρ - щільність рідини.

            У реальних, гетерогенних умовах, необхідно враховувати гравітаційні сили, хімічну взаємодію рідини з твердим тілом, що в остаточному  підсумку  становить  велику складність для математичного моделювання процесу.

            При розтіканні краплі рідини на плоскій  поверхні твердого тіла умови її рівноваги виражаються у вигляді рівноваги векторів сил поверхневого натягу в точці на межі трьох фаз. Цією межею є  периметр змочування (рис. 8):

                                 ,                          (1)

де σ13 - поверхневий натяг між твердим тілом і газовим

             середовищем, що діє на краплю по периметру її

             основи;

    σ23 - поверхневий натяг рідини на межі з твердим тілом;

    σ12 - поверхневий натяг рідини на межі з газовим

            середовищем.

            Це рівняння є другим законом капілярності Юнга, з якого випливає таке:

 

                                                                  (2)

де Cos Ө - коефіцієнт змочування, що характеризує здатність рідини змочувати поверхню твердого тіла.

            Рівняння дає загальну характеристику фізичного явища без урахування наслідків процесу взаємодії компонентів. У процесі паяння відбувається активна взаємодія розплавленого  припою і основного металу, що обумовлює зміну хімічного складу, в’язкості, плинності і тим самим впливає на коефіцієнт змочування. Однак оцінку можливості паяння того чи іншого матеріалу тим чи іншим припоєм при певних умовах дає величина крайового кута змочування Ө, яку можна визначити фізичними методами. Змочування відбувається при Ө < 900.

            Для оцінки процесу паяння необхідне визначення розтікання розплаву припою по твердій поверхні. Механізм розтікання припою пов’язаний із взаємодією розплаву з газовою фазою і основним металом, з поверхневою дифузією і капілярним переміщенням. При розтіканні ці процеси залежать від співвідношення фізико-хімічних властивостей припою,  основного металу і умов паяння.

            Розтікання розплаву припою, як всякої рідини, по поверхні твердого тіла визначається співвідношенням сил адгезії припою до поверхні матеріалу, що паяється, і когезії, яка характеризується силами зв’язку між частками припою. Робота адгезії визначається вільною поверхневою енергією, що звільняється при змочуванні твердого тіла рідиною

                                    Аадг= σ13 +  σ12 -  σ23.                            (3)                                         

            Повне розтікання припою по поверхні металу, що паяється,  відбувається при куті змочування Ө = 00.

            Когезія частинок припою оцінюється роботою, що необхідна для створення двох нових поверхонь рідини:

Аког = 2 σ12.

            Розтікання краплі розплаву припою по поверхні матеріалу, що паяється, відбудеться, якщо робота адгезії до його поверхні буде дорівнювати або буде більшою роботи когезії частинок припою. Різницю між ними визначають як коефіцієнт розтікання:

K = Аадг - Аког = σ12(1 + Cos Ө) - 2 σ12 = σ12(Cos Ө - 1).       (4)

            За наявності умов змочування і розтікання по поверхні розплав припою    переміщується і утримується в зазорі між поверхнями матеріалів, що паяються. При цьому утворюється  паяне з’єднання за схемою, наведеною на рис. 9. 

            Зазори при паянні застосовують переважно розміром 0,05-0,3 мм, тому кількість рідкого металу в них незначна. Взаємодія між твердим і розплавленим металами приводить до зміни складу рідкої фази. При високотемпературному паянні припій         активно легується компонентами  металу, що паяється. Легування активується відсутністю на його поверхні оксидів і наявністю безпосереднього металевого контакту з розплавом припою. Процес призводить до розчинення основного металу в розплавленому припої. Початковий склад припою при паянні може змінюватися не тільки за рахунок розчинення в ньому основного металу, а також у результаті вибіркової дифузії компонентів припою в основний метал. Можливе також випаровування  найбільш летких його компонентів, окиснення і видалення в шлак за рахунок газової і шлакової фаз.

            Основний метал впливає на процес створення спаю безпосередньо і при кристалізації, що відбувається на готових поверхнях поділу фаз. Створення зародків нових кристалів на поверхні основного металу залежить від характеру змочування припоєм: чим менший кут змочування, тим менша витрата енергії потрібна на створення зародка. Якщо   кут змочування малий, то для появи зародка кристала потрібно незначне переохолодження. Оскільки  обов’язковою умовою паяння  є змочування  припоєм основного металу, то  є    сприятливі умови для зародження центрів кристалізації.

            Вплив стану поверхні основного металу обумовлює те, що кристалізація із самого початку в тій або іншій мірі орієнтована, тобто наявним є певне співвідношення між розмірами і формою кристалічної  ґратки   металу, що переходить у спаї в тверду фазу,  і основного металу. За наявності орієнтуючого впливу поверхні основного металу структура металу шва утворюється в результаті розвитку трьох послідовних по відстані стадій процесу. На першій стадії орієнтація кристалів, що кристалізуються, цілковито визначається структурою основного металу. Друга стадія характерна появою двійників та інших структурних недосконалостей у зв’язку зі зменшенням орієнтуючого впливу твердого металу. На третій стадії утворюється полікристалічна структура або виникає текстура росту.

            Залежно від співвідношення параметрів ґратки кристалів основного металу і кристалів, що утворюються із розплаву, орієнтована кристалізація може відбуватися по різному. Нова фаза, що виділяється із розплаву, відрізняється від основного металу видом атомів, типом і параметрами ґратки. Кристали, що утворюються з неї, з’єднуються з основою такою гранню, в якій розташування атомів найбільше відповідає  положенню аналогічних атомів в грані кристала основного металу. Ймовірність такої кристалізації буде тим більшою, чим менша різниця міжатомних відстаней у площинах фаз, що межують між собою. Кристали основного металу підпорядковують власним параметрам  ґратку кристала, що утворюється з розплаву. Такий процес має назву епітаксії. Деформація поступово при збільшенні товщини шару кристала, що кристалізується, зменшується. При певній товщині шару, що контактує з основним металом, кристал досягає характерного для нього розміру ґратки. Ця  обставина  свідчить про те, що при паянні в зоні контакту основного металу і розплаву припою за наявності орієнтованої кристалізації різних за будовою кристалічних ґраток, існує проміжний шар (спай), в якому кристали знаходяться в напруженому стані.

            На процеси, що відбуваються на межі твердої і рідкої фаз, значний вплив має дифузія. Із розплаву в основний метал дифундують атоми припою, а в розплав припою дифундують атоми основного металу. Схема дифузії елементів припою в основний метал показана на рис.10.

            Основний дифузійний потік компонентів припою в основний метал пролягає по межах зерен. Більша проникність меж зерен обумовлена наявністю підвищеної концентрації структурних недосконалостей, дислокацій, евтектичних та інтерметалевих включень. Від меж зерен дифузія атомів компонентів припою поширюється по дислокаціях в  тіло зерна. В певних умовах дифузія обумовлює зміну складу з утворенням твердих розчинів або евтектик, що може привести до оплавлення в дифузійній зоні меж зерен при температурі паяння.

            Дифузія елементів основного металу в розплав припою має інший характер. Розплав припою складається з кластерів, які є мікрогрупою із декількох періодів ґратки твердого металу і зберігають ближній порядок її будови. Кластери становлять основний об’єм розплаву припою. Об’єм міжкластерної неупорядкованої зони з окремих атомів компонентів припою становить 4-6% [10]. Активність атомів і швидкість дифузії в цій зоні більша, ніж в тілі кластера. Тому в основний метал елементи припою дифундують в першу чергу із міжкластерної зони. Атоми елементів, що входять до складу основного металу, також дифундують у розплав припою переважно в міжкластерному об’ємі. Всі зазначені вище процеси мають основний вплив на формування паяного з’єднання.