Адгезионное и когезионное взаимодействия при пайке. Характеристика процесса смачивания

После расплавления припоя и достижения атомами металла требуемого уровня активации начинается взаимодействие, в процессе которого происходит смачивание поверхности основного металла расплавом припоя.

При этом две свободные поверхности заменяются одной границей фаз с более низкой свободной поверхностной энергией системы. На этой стадии образования спая основную роль играют квантовые процессы между частицами атомных размеров.

В ходе взаимодействия атомов паяемого металла и расплавленного припоя возможна коллективизация электронов и образование металлической связи. Химическая связь образуется между атомами, обладающими дополнительной энергией, равной или большей энергии активации. Прочная связь между ними возникает при условии, если они находятся на расстояниях, при которых возможно перекрытие их волновых функций.

Адгезия поверхностное явление, которое приводит к снижению поверхностной энергии тела. Адгезия сцепление, притяжение, прилипание это связь между атомами, молекулами, ионами разнородных конденсированных тел при их молекулярном контакте. При адгезии сохраняется граница раздела фаз, которая образуется между двумя твердыми телами или твердым телом и жидкостью.

Когезия определяет связь между молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы и характеризует прочность конденсированных тел и их способность противодействовать внешней нагрузке. Когезия определяет свойства взаимодействующих материалов, а адгезия характеризует поверхностные явления, которые возникают на границе раздела фаз. В результате адгезионного взаимодействия происходит явление — смачивание.

Смачивание – процесс самопроизвольного образования межатомных связей при снижении межфазной поверхностной энергии; смачивание характеризуется поверхностными свойствами фаз, которые взаимодействуют при пайке – поверхностным натяжением и свободной поверхностной энергией. Процесс смачивания термодинамически выгоден, так как приводит к уменьшению поверхностной энергии системы (поверхностного натяжения). Поверхностное натяжение – сила, которая действует по касательной к поверхности жидкости или твердого тела и стремится сократить свободную поверхность жидкости до минимальных размеров, поэтому капля жидкости имеет форму, приближенную к сферической. Величина силы поверхностного натяжения – мера неравновесности системы, причем не только в системе газ жидкость, но и в системе жидкость – жидкость. Чем меньше поверхностное натяжение, тем более существенным для системы является взаимодействие молекул, которые находятся на границе раздела фаз.

Таким образом, адгезия и смачивание две стороны одного и того же явления, которое возникает при взаимодействии жидкости с твердым телом. Адгезия обусловливает связь между твердым телом и контактирующей с ним жидкостью. Смачивание результат этой связи. Существуют два типа поверхностей по способности смачиваться гидрофильные поверхности и гидрофобные поверхности. Гидрофильность или гидрофобность поверхностей может быть охарактеризована величиной краевого угла смачивания. Гидрофильность означает родственность, которая заключается в интенсивном взаимодействии между собою молекул жидкости и твердого тела. На гидрофильных поверхностях жидкость под действием поверхностного натяжения твердого тела тг превращается в пленку. Краевой угол смачивания на гидрофильных поверхностях равняется нулю.

Итак, при растекании расплава припоя при контакте с поверхностью паяемого металла могут проходить физико-химические процессы: химическая эрозия; адсорбционное снижение прочности в зоне спая как следствие снижения свободной поверхностной энергии на границе раздела фаз: паяемый металл — расплав припоя; растворение паяемого материала в расплаве припоя; диффузия в объем твердого металла, а также по границам зерен и дефектам структуры металла; химическое взаимодействие контактирующих пар.

Особенностью физико-химического взаимодействия паяемого металла и расплава припоя является резкое увеличение работы адгезии в определенном диапазоне температур.

Физическая сущность процесса пайки. Совместимость паяемого металла и припоя

В настоящее время технология пайки является высокоразвитой технологией изготовления изделий различного назначения из разнообразных металлов и сплавов. Пайка находит использование в разных отраслях для соединения как мельчайших деталей, например, в электронных приборах, так и узлов крупногабаритной техники в ракетостроении, энергетике и других отраслях.

В создании новых материалов, оборудования и технологий пайки значительный вклад сделали ученые ведущих научных школ, которые образовались в научно — исследовательских институтах, учебных заведениях, отраслевых лабораториях разных стран. В Украине материалы и технику пайки разрабатывали и продолжают разрабатывать в Институте электросварки имени Е.О.Патона и Институте проблем материаловедения имени И.М. Францевича, в других научно–исследовательских институтах и лабораториях и учебных заведениях, в том числе и в Киевском политехническом институте на кафедре сварочного производства.

Пайка становится в настоящее время практически единственным способом получения надежного соединения между материалами, которые обладают малой пластичностью или не могут быть нагреты до высокой температуры. Речь идет о соединении полупроводниковых кристаллов, керамики, стекла и сочетаний металлов, образующих при нагреве интерметаллические соединения, либо обладающих резко отличающимися температурой плавления (например, соединения алюминий — сталь, медь — титан, цирконий — алюминий) и коэффициентами термического расширения.

Пайка — процесс получения неразъемного соединения материалов в процессе нагрева ниже температуры их автономного расплавления, при локальном контактном плавлении соединяемых материалов, при смачивании, растекании и заполнении зазора между ними расплавленным припоем и сцеплении их при кристаллизации шва с образованием спая.

В отличие от автономного плавления — одностадийного процесса, который протекает в объеме при температуре, равной или выше температуры солидус соединяемых материалов, контактное плавление того же материала протекает при контактном равновесии по поверхности контакта с твердым, жидким или газообразным телом, иным по составу; это многостадийный процесс, при котором на различных этапах происходит смачивание, растворение, диффузия, испарение компонентов паяемого металла и припоя; жидкая фаза при контактном плавлении твердого тела образуется ниже его температуры солидус.

Преимущества пайки как технологического процесса и преимущества паяных соединений обусловлены главным образом возможностью формирования паяного шва ниже температуры автономного плавления соединяемых материалов.

Такое формирование шва происходит в результате неавтономного, контактного плавления паяемого металла в жидком припое, который может быть внесен в соединительный зазор извне, либо быть восстановленным из солей флюса, или образовываться при контактно-реактивном плавлении металлов, контактирующих прослоек или паяемых металлов с прослойкам. Поэтому возникает возможность осуществлять общий нагрев паяемого узла или всего изделия до температуры пайки, а это позволяет получать соединения в скрытых и малодоступных узлах конструкции и изготавливать сложные конструкции за один прием, сокращая их металлоемкость, повышая коэффициент использования материала.

Технологические процессы пайки позволяют соединять при необходимости детали не по контуру, а одновременно по всей поверхности, обеспеченивая высокую производительности процесса и прочность соединений. При пайке возможно соединять разнородные металлические и неметаллические материалы, возможно предотвращать развитие значительных термических деформаций и обеспечивать получение изделия без нарушения его формы, осуществлять групповую пайку, широкую механизацию и автоматизацию процесса. Еще одним преимуществом пайки является возможность разъединения при необходимости деталей и узлов путём их распайки ниже температуры автономного плавления паяемого материала и ремонтировать изделия в полевых условиях.

Для получения прочных, бездефектных и работоспособных в условиях продолжительной эксплуатации паяных соединений следует учитывать следующие факторы: физико-химические, технологические, конструкционные, эксплуатационные.

К физико-химическим факторам относятся физико-химические характеристики паяемого металла и припоя; характер физико-химического взаимодействия припоя и паяемого металла на границе раздела фаз; влияние флюсующих сред на припой и паяемый металл; условия и характер кристаллизации при пайке. Физико-химическое взаимодействие паяемого металла и расплава припоя — это многостадийный процесс, который сопровождается изменением состава и свойств жидкой и твердой фаз.

Конструкционные факторы: тип паяного соединения, его геометрические параметры и расположение паяных соединений в изделии. Основными технологическими факторами являются: подготовка поверхности соединений к сборке и пайке; способ обработки поверхности перед пайкой и в процессе пайки; способ и режим нагрева; обработка соединений после пайки. К эксплуатационным факторам относятся условия эксплуатации соединений и характер нагружения изделия. Возможность образования спая между паяемым материалом и припоем характеризуется паяемостью, т.е. способностью паяемого материала вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовывать паяное соединение.

Практически пайкой можно соединить все металлы, металлы с неметаллами и неметаллы между собой. Необходимо только обеспечить такую активацию их поверхности, при которой стало бы возможно установление между атомами соединяемых материалов и припоем прочных химических связей. С точки зрения физико-химических процессов паяемость определяется типом связей, образующихся между твердым и жидким металлом, и зависит от природы паяемого металла и припоя.

С точки зрения технологии паяемость – это реакция соединяемых материалов и припоя на основные процессы, происходящие при пайке: нагрев, плавление, смачивание, капиллярное течение, растворно-дифузионное взаимодействие, кристаллизация, охлаждение нагретого металла, деформация, взаимодействие металлов с газами, флюсами, шлаками. Отсутствие паяемости или плохая паяемость с этой точки зрения характеризуется отсутствием или слабой связью в зоне спаев, нежелательными изменениями физико-химических свойств паяемого металла в зоне паяного соединения, склонностью паяемого металла к образованию горячих и холодных трещин.

Итак, паяемость зависит не только от физико-химической природы соединяемых материалов и припоя, но и от способа и режима пайки, от флюсующих сред, условий подготовки поверхности под сборку и пайку.

Паяемость того или иного материала нельзя рассматривать как способность его подвергаться пайке различными припоями. Можно рассматривать только конкретную пару паяемый металл и используемый припой, и в конкретных условиях пайки. При физической возможности образования спая (физической паяемости) уже в какой-то мере гарантирована паяемость с технологической точки зрения при обеспечении соответствующих условий проведения процесса пайки.

Паяное соединение – это элемент паяной конструкции, в который входит паяный шов и диффузионные зоны при общем нагреве изделия, и паяный шов и зоны термического влияния – при локальном нагреве изделия. Паяный шов — это участок паяного соединения с литой структурой, который кристаллизуется в процессе пайки.

Участок паяного шва, который образуется у края зазора на внешних поверхностях соединяемых деталей под действием капиллярных сил, называется галтелью паяного шва.

Диффузионная зона – это участок паяного соединения с измененным химическим составом, который образуется в результате диффузии компонентов припоя и паяемого материала.

Зона спая – переходной слой на границе основной металл — паяный шов, состоящий из диффузионной зоны и прикристаллизованого слоя, образовавшегося в результате выделения из расплава тугоплавкой составляющей.

Характеризуя физико-химическую совместимость паяемого металла и припоя, необходимо обратится к диаграммам состояния, которые, с учетом кинетического фактора, позволяют прогнозировать направление развития физико-химических процессов на границе контакта твердой и жидкой фаз и в паяном соединении как при пайке, так и в процессе эксплуатации паяных соединений.

Наибольшее число двойных систем, которые могут характеризовать паяемый металл и припой и имеют в настоящее время практическое значение, это системы с неразрывным рядом твердых растворов и системы с образованием эвтектики, в том числе и с неконгруентным химическим соединением.

Если сплавы взаимодействуют с образованием химических соединений (интерметаллидов), то в контакте паяемого металла А с жидким припоем В может образоваться прослойка химического соединения, что приводит к охрупчиванию и понижению прочности паяных швов.

В настоящее время для изготовления паяных изделий и конструкций используются конструкционные материалы, имеющие сложные физико-химические характеристики. Для обеспечения специальных свойств паяных соединений и совместимости с паяемым металлом используют комплексно легированные припои сложного состава.

Концентрирование жидких пищевых продуктов

Пищевые продукты можно концентрировать выпариванием с улавливанием ароматических веществ или без него, вымораживанием, использованием обратного осмоса.

Выпаривание считается наиболее разработанным и экономичным методом концентрирования водных растворов. Существует возможность частично улавливать в дистилляционной колонне ароматические вещества, которые улетучиваются вместе с водяными парами. Однако никогда не удается избежать термического разложения некоторых компонентов, вызываемого ферментативными реакциями уже при 50—70°С.

В процессе обратного осмоса теряется значительная часть ароматических веществ. Концентрирование вымораживанием имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами, особенно для продуктов термолабильных или содержащих большое количество ароматических веществ. При низких температурах химическое и биохимическое разложение пренебрежимо мало, а легколетучие и ароматические компоненты сохраняются полностью, обеспечивая высокое качество получаемого концентрата. Отделенную при вымораживании чистую воду можно использовать в технологическом цикле.

Концентрирование вымораживанием применяют при производстве медицинских препаратов, натуральных пищевых красителей, для опреснения воды засоленных природных источников.

Концентрирование вымораживанием можно осуществлять как самостоятельный процесс, когда получаемый продукт поступает к потребителю, и как этап подготовки к последующей сушке: сублимационной или распылительной.

Сублимационные установки

Консервированный таким образом продукт можно длительное время хранить в обычных условиях. Продукт легко поглощает воду, полностью восстанавливаются его питательные свойства, внешний вид, объем. Широкого распространения для консервирования пищевых продуктов этот метод не получил ввиду больших энергетических затрат.

Перед сушкой продукты замораживают, при этом важно обеспечить оптимальную скорость, замораживания. Приемлемая структура кристаллов льда образуется при замораживании продукта в воздушном морозильном аппарате при температуре воздуха —30-35°С.

Продукт можно замораживать и непосредственно в сублиматоре при атмосферном давлении или в вакууме в результате испарения влаги. Быстрая откачка воздуха из сублиматора вызывает интенсивное испарение влаги с поверхности продукта и приводит к его замораживанию. Когда достигнут нужный вакуум и продукт полностью замерз, наступает период сушки сублимацией. К высушиваемому продукту подводят тепло извне, происходит сублимация льда. К концу этого периода сушки подвод тепла увеличивают и этим повышают температуру высушиваемого продукта до 40—50°С. Завершается процесс сушки кратковременным периодом удаления остаточной влаги.

Применительно к технологии сублимационной сушки созданы соответствующие аппараты и установки, определены методы их расчета. Из всех способов удаления водяных паров наибольшее распространение получил метод конденсации водяных паров на охлаждаемой поверхности. При отрицательных температурах влага оседает на охлажденной поверхности в виде льда. Этот процесс называют десублимацией, а теплообменник с охлаждаемой поверхностью — десублиматором. Общее давление среды поддерживают от 300 до 1 Па. Секции десублиматора-испарителя выполняют из труб или панельных элементов. Для эффективного течения процесса вымораживания влаги применяют последовательное поочередное включение секций поверхности, начиная с последней по ходу движения водяного пара. Лед с поверхности десублиматора необходимо своевременно удалять. Температура кипения хладагента —40-60°С.

Для предварительного понижения давления и удаления неконденсирующихся газов применяют пусковые и рабочие вакуум-насосы. Пусковые вакуум-насосы благодаря большой производительности обеспечивают быстрое снижение давления в процессе сушки. Наиболее широко применяют сублимационные установки периодического действия. Установки поточно-циклического действия целесообразно применять при массовом производстве узкого ассортимента продуктов.

Установка периодического действия включает в себя аппарат, выполняющий функции сублиматора и десублиматора и имеющий крышки для загрузки и выпуска тележек с продуктами и монорельсовый подвесной путь для размещения тележек. В аппарате находятся нагревательные панели, вертикально-трубные панели десублиматора с поддонами для удаления талой воды.

В секциях десублиматора кипит аммиак при —35°С. Левая и правая части систем теплоподвода и влагоотвода имеют автономное управление, что позволяет использовать их независимо для сушки продуктов разного вида. Вакуумная система использует пусковые и рабочие вакуум-насосы и в состоянии поддерживать давление 150 Па. Сублимационная сушка мяса производится следующим образом. Мясо, разрезанное ломтиками толщиной 12 мм, укладывают на противни, которые устанавливают на консольные полки тележек и вкатывают в аппарат.

Крышку аппарата закрывают, включают пусковые вакуум-насосы и систему влагоотвода. Через 10 мин давление снижается до 200—160 Па, а температура продукта опускается до —25-30°С. Включают нагревательные панели, рабочие вакуум-насосы. Пусковые насосы останавливают. Процесс сушки завершается через 8—9 ч. Тележки с продуктом выкатывают в отделение разгрузки, где поддерживается низкая (до 40%) относительная влажность воздуха, и упаковывают готовый продукт.