ОБРАЗОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ И СПОСОБЫ ПАЙКИ

Образование непрерывней межатомной связи между соединяемыми деталями при пайке достигается без расплавления их кромок путем смачивания твердых поверх­ностей более легкоплавким расплавленным жидким металлом (припоем). Поэтому смачивание следует считать основным процессом в образовании соединений при пайке [3]. Смачивание жидкими металлами твердой поверхности сопровождается установлением прочных химических связей между атомами жидкости и твердого тела и считается химическим или необратимым смачиванием [2].

Для химического смачивания характерно наличие порога смачивания, опре­деляющегося температурой, при которой краевой угол начинает резко умень­шаться, а работа адгезии возрастать (рис. 1).

Для оценки смачивания поверхности жидкостью рассматривается равновесие капли, нанесенной на твердую поверхность. Равновесие ее определяется соотноше­нием сил поверхностного натяжения. По мнению В. К. Семенченко, поверхностное натяжение можно рассматривать не только как энергию единицы поверхности, но и как силу, действующую на единицу длины. На рис. 2 через ож_т обозначено поверхностное натяжение на границе жидкость—твердое тело, через сж_г — по­верхностное натяжение жидкость — газообразная фаза и через от_г — поверх­ностное натяжение твердое тело — газообразная фаза; 0 — краевой угол смачи­вания. Для равновесия сил, действующих в плоскости, нормальной к поверхности твердого тела, справедливо равенство

От-г — Ож-г -(- Ож-г 0.

Работа отделения жидкой капли от поверхности твердого тела может быть рассчитана. Если в начале процесса имеется поверхность соприкосновения аж_т и поверхностное натяжение на этой границе аж_1( то в конце процесса после отде­ления капли от поверхности образуются две поверхности: твердое тело — газо­образная фаза и жидкость — газообразная фаза с поверхностным натяжением ат-г и аж-г соответственно.

Если площадь каждой из вновь образованных поверхностей равна единице, то работа отделения жидкой капли от поверхности твердого тела, называемая удельной работой адгезии,

Степень смачивания можно охарактеризовать углом 0; тогда рассмотрим два крайних случая: 1) полного несмачивания (0 = 180°); 2) полного смачивания (0 = 0). При полном несмачивании (0 = 180°, cos 0 = —1) Ладг = 0. При полном смачивании (0 = 0, cos 0=1) Ладг = 2аж_г. Величина 2аж_г представляет собой работу, которую нужно затратить для того, чтобы разорвать столб жидкости сечением, равным единице, и образовать две новые поверхности с поверхностным натяжением аж_г. Эта работа, определяемая силами сцепления внутри жидкости, называется удельной работой когезии ЛКог. В момент наступления полного смачи­вания жидкостью твердой поверхности работа адгезии оказывается равной работе когезии

Для практического осуществления процесса пайки и лужения необходимо обеспечить затекание припоя в зазоры соединяемых деталей или растекание при­поя по поверхности.

Под растеканием, при анализе поверхностных явлений, понимают вязкое те­чение слоя жидкости, связанное не с действием силы тяжести, а с уменьшением свободной поверхностной энергии системы. При рассмотрении процессов растека­ния предполагается, что смачивание определяет процесс растекания и, таким образом, является необходимым условием обеспечения этого процесса.

Самопроизвольное растекание жидкости по открытой поверхности возможно при достижении полного смачивания в случае, если выполняется условие

Рис. 2. Схема действия сил поверх­ностного натяжения при смачива­нии жидкостью твердого тела

Рис. 3. Схемы течения жидкости:

а — по открытой поверхности (пло­ский фронт растекания); 6 — по плоскому капилляру

Учитывая это неравенство и выражение (2), получим

^адг 20ж-г ИЛИ ^адр ^ ^ког-

Для характеристики систем с полным смачиванием используют коэффициент растекания, характеризующий степень неравенства (4):

ТСраст — ат-р — (иж-т ^ж-г)- (5)

Коэффициент растекания — энергетическая характеристика эффекта расте­кания или перемещения фронта жидкости по твердой поверхности с поверхностным натяжением ат_г [і].

Коэффициент /Сраст в расчетах кинетики растекания систем рассматривается как источник движущей силы растекания F. При течении по открытой поверхности при плоском фронте растекания (рис. 3, а) FpaCT. пл= Краст Ь, где Ь — ширина фронта растекания.

При течении жидкости в плоском капилляре (рис. 3, б) растекание осуще­ствляется по двум поверхностям, а наружная поверхность жидкости не изменяется;

Fраст. кап = 2 (От-P “Ь °Ж-т) (6)

При течении жидкости по открытой плоской поверхности условие растекания определяется выражением (4) или

т^ , условие растекания может быть выпол-

нено при 0 = 0 и cos 0 = 1.

При течении жидкости в плоском капилляре условие растекания определяется выражением 2 (от_г — аж-т) ">■ 0 и может быть выполнено при cos 0 0 или при

угле 9 < 90°. Поэтому для затекания жидкости в капилляры и течения ее в капил­лярах не обязательно достижение полного смачивания. При наличии диффузион­ного взаимодействия между жидкостью и твердой поверхностью величина Краст в процессе контакта не будет оставаться постоянной.

Формирование паяного соединения происходит под влиянием большого числа различных факторов. Взаимосвязь этих факторов схематично показана на рис. 4. При разработке этой схемы принято, что смачивание является необходимым усло­вием образования паяного соединения.

Однако конечные свойства паяного соединения рассматриваются в зависимо­сти от процессов, сопутствующих смачиванию, таких, как: взаимодействие припоя с основным металлом, изменение свойств основного металла под действием терми­ческого цикла пайки, особенности кристаллизации припоя и др.

Изменяя технологические параметры процесса пайки (состав и свойства при­поя, термический цикл, средства активации поверхности, величину зазора, кон­струкцию паяного соединения), можно влиять на условия протекания процессов, участвующих в формировании паяных соединений, и их конечные свойства. В конкретных случаях пайки получение соединений с заданными свойствами может лимитироваться любым из процессов, участвующих в формировании пая­ного соединения. Например, при плохом смачивании поверхности припоем этот процесс становится лимитирующим. Факторами, определяющими протекание процесса смачивания являются состав и свойства основного металла и припоя, температура и время выдержки при пайке, а также средства активации поверх­ности. Если при заданном термическом цикле и принятых средствах активации не удается обеспечить хорошее смачивание припоем паяемого металла, то улучше­ние смачивания может быть достигнуто нанесением на поверхность металла слоев других металлов, что равноценно изменению состояния поверхности паяемого металла.

При пайке активных металлов смачивание, как правило, обеспечивается легко, однако свойства паяных соединений часто бывают низкими вследствие образова-

Рис. 4. Технологические факторы, определяющие свойства паяных соединений

ния на границе припой—паяемый металл хрупких прослоек интерметаллических соединений. В этом случае процессом, лимитирующим образование соединений с требуемыми свойствами, становится процесс взаимодействия припоя и паяемого металла. Факторами, влияющими на этот процесс, являются: состав и свойства паяемого металла и припоя, температура и время выдержки при пайке, а также величина зазора. В процессе кристаллизации припоя возможно появление дефек­тов, снижающих свойства получаемых соединений, и этот процесс может стать в некоторых случаях лимитирующим.

Состав припоя может меняться в результате взаимодействия с основным металлом. В свяЗи с этим температура пайки, величина зазора и условия охлажде­ния влияют на кристаллизацию припоя как факторы самостоятельные и как факторы, определяющие степень взаимодействия припоя и металла. Изменение свойств паяемого металла возможно в результате термического цикла пайки и в результате взаимодействия припоя и металла. Поэтому технологическими фак­торами, определяющими изменение свойств основного металла, кроме термического цикла пайки могут быть все факторы, определяющие взаимодействие припоя и основного металла.

При пайке металла с керамикой, стеклом, когда имеется значительная разница в коэффициентах линейного теплового расширения и один из материалов или оба имеют низкие пластические свойства, получение работоспособных соединений может быть затруднено из-за возникновения напряжений и разрушения снак в процессе охлаждения.

Основными технологическими факторами, определяющими формирование напряжений, являются: состав и свойства паяемых материалов и припоя, терми­ческий цикл пайки, конструкция паяных соединений и процессы, влияющие на взаимодействие припоя и металла.

На основании общих подходов к выбору технологических параметров пайки выбирают способы пайки, наиболее приемлемые для получения соединений с за­данными свойствами.

Согласно ГОСТ 17349—71 существующие способы пайки классифицируются по различным признакам. По условиям заполнения зазора все способы пайки разделены на способы капиллярной и некапиллярной пайки. При капиллярной пайке заполнение припоем зазора и удержание его в зазорах обеспечивается силами капиллярности; при некапиллярной пайке заполнение зазора осуществля­ется под действием силы тяжести или внешнего давления без заметного участия капиллярных сил.

К некапиллярным способам пайки (применяющимся относительно редко) отнесены пайкосварка, при которой припой заполняет разделку кромок, как при сварке плавлением, и сваркопайка — способ соединения разнородных металлов с различной температурой плавления, при котором расплавляется более легкоплав­кий металл, являющийся припоем.

По механизму образования паяного шва выделены несколько способов капил лярной пайки.

Пайка готовым припоем.

Контактно-реактивная пайка, при которой роль припоя выполняет жидкая фаза, образующаяся в результате контактного плавления соединяемых материа­лов, покрытий, нанесенных на соединяемые материалы, или промежуточных прокладок, вводимых в соединение.

Пайка реактивно-флюсовая, при которой припой или слой полуды образуются в результате высаживания из флюса.

Металлокерамическая пайка композиционными припоями, при которой в зазор вносится порошковый наполнитель, по составу близкий к составу паяемого металла, образующий сеть разветвленных капилляров, и собственно припой, заполняющий эти капилляры под действием сил капиллярного течения. Важной особенностью этого процесса является возможность пайки изделий с большими зазорами, когда капиллярное заполнение их затруднено.

Диффузионная пайка, рассчитанная на развитие диффузионных процессов

между припоем и паяемым металлом, при которой затвердевание паяного шва происходит при температуре выше температуры солидуса припоя.

По способу удаления окисной пленки выделена абразивная — бесфлюсовая пайка, при которой производится предварительное лужение с использованием абразивов для разрушения и удаления окисной пленки.

Близкими к этому процессу являются шаберная пайка и абразивно-кристал­лическая. Ультразвуковая и кавитационно-абразивная пайка также относятся к способам бесфлюсовой пайки с предварительным лужением с помощью ультра­звуковых колебаний.

Флюсовая пайка, при которой разрушение окисной пленки происходит с помощью флюса.

Способы пайки в нейтральной газовой среде и в вакууме также относятся к способам бесфлюсовой пайки, при которых осуществляется защита металла от окисления и разрушение окисной пленки в безокислительной среде при нагреве.

Пайку в активных газовых средах можно рассматривать как процесс приме­нения газовых флюсов, обеспечивающих разрушение и удаление окисной пленки в результате химических реакций.

По источникам нагрева существующие способы пайки разделяют на пайку паяльником; газопламенную; електродуговую; электросопротивлением; экзотер­мическую, использующую тепло, образующееся при экзотермических реакциях специальных смесей; электронным лучом (чаще всего сканирующим); лазером; в печах, погружением в расплавленные соли или припои; волной припоя; в нагре­тых штампах, нагревательных матах и т. д. Развивающимся процессом является пайка сфокусированным лучом света с помощью кварцевых ламп и ксеноновых ламп высокого давления и другие.

•Отличительной чертой паяного соединения является наличие в нем про­слойки припоя или прослойки металла» образовавшегося в результате взаимодей­ствия припоя и основного металла. Наличие такой химической неоднородности является недостатком паяных соединений и в ряде случаев снижает эффективность Процесса пайки. Для устранения этого недостатка и повышения коррозионных и прочностных свойств соединений в результате устранения имеющейся химической неоднородности могут быть применены некоторые особые технологические приемы. Перспективным процессом получения высокопрочных соединений, лишенных химической неоднородности, является процесс пайки, сочетающийся с приложе­нием давления в момент расплавления припоя, его выдавливания из зазора и в дальнейшем растворения его остатков при высокой температуре.