Развитие процессов диффузии, растворения и испарения в процессе пайки
При пайке одновременно идут диффузия, растворение и испарение: расплавленный припой растворяет поверхностный слой основного металла, атомы припоя и металла взаимно диффундируют через границу, а легколетучие компоненты (цинк, кадмий) частично испаряются. От скорости этих процессов зависят прочность шва, его состав и пористость.
Диффузией называется процесс перемещения частиц вещества в направлении меньшей его концентрации. В результате диффузии происходит выравнивание состава вещества и равномерное заполнение ним всего объема. Процессы диффузии протекают в газообразных, жидких и твердых веществах; диффундировать могут как однородные вещества, так и атомы разнородных веществ в границах своего объема.
Виды диффузии в металлах
Работы по изучению процессов диффузии в металлах направлены на определение того, с какой скоростью и каким образом атомы вещества перемещаются в кристаллической решетке. Рассматривают два вида диффузии – самодиффузию и гетеродифузию, или химическую диффузию. Самодиффузией называется тепловое перемешивание атомов в чистых металлах или металла - растворителя в твердых растворах; этот процесс проходит при отсутствии градиента концентрации вещества, то есть самодиффузия проходит при постоянной концентрации веществ в телах и обуславливает перемешивания атомов в них.
Гетеродиффузиею, или химической диффузией, называется перемещение в веществе чужеродных растворенных атомов при наличии градиента концентрации вещества. Если гетеродиффузия сопровождается образованием в диффузной зоне новых фаз, она называется реакционной. В твердых металлах диффузия может проходить по поверхности, на границе зерен и в объеме отдельных зерен. Диффузия по поверхности имеет большое значение в процессах пайки. От интенсивности диффузии расплавленного припоя по поверхности паяемого металла зависит возможность его смачивать паяемий металл. Этот вид диффузии проходит не только на внешней поверхности паяемого металла, но и на внутренних поверхностях дефектов (раковин, пор, рыхлот).
Диффузия по границам зёрен
Рассматривая процессы диффузии на границе зерен, надо иметь в виду, что одновременно с ней протекает диффузия в объем зерен. Только при достаточно низких температурах диффузию на границе зерен и в объем зерна можно считать такими, что проходят независимо друг от друга.
Диффузия по границам зерен зависит от состояния границ и от размера зерен металла. Увеличение размера зерна приводит к уменьшению коэффициента диффузии. Такая зависимость связана с тем, что атомы на границе зерна имеют повышенную концентрацию вакансий. Повышение интенсивности диффузии при уменьшении размера зерна металла возникает в результате большей подвижности границы зерен в мелкозернистом металле, чем в крупнозернистом. Диффузные процессы, которые проходят при формировании паяного соединения, условно можно разделить на четырех стадии.
Стадии диффузии при пайке
Первая стадия — диффузия в твердой фазе, которая предшествует образованию в шве жидкой фазы. Вторая стадия — диффузия в расплаве припоя от момента его плавления до насыщения компонентами паяемого металла и образования жидкой фазы равновесного состава, который отвечает пересечению изотермы температуры пайки с линией ликвидус диаграммы состояния взаимодействующих металлов. На третьей стадии проходят диффузные процессе в шве с момента установления равновесного состава расплава в шве. Четвертая стадия диффузии протекает в твердом металле в процессе термообработки паяного соединения или охлаждения после пайки.
Как процессы при пайке влияют на шов
| Процесс | Польза | Риск |
|---|---|---|
| Смачивание | Припой затекает в зазор | Без флюса и чистоты — непропай |
| Диффузия | Прочная связь припоя с металлом | Перегрев — хрупкие интерметаллиды |
| Растворение основного металла | Хорошее сцепление | Эрозия тонких стенок |
| Испарение компонентов | — | Выгорание цинка из латуни, поры |
Поэтому пайку ведут при минимальной достаточной температуре и времени нагрева. Как металл и припой подбирают друг к другу — в статье физическая сущность процесса пайки.
Частые вопросы
Что такое диффузия при пайке?
Взаимное проникновение атомов припоя и основного металла через границу их контакта. Диффузионная зона связывает припой с деталью и определяет прочность паяного соединения.
Почему при пайке испаряется цинк?
У цинка низкая температура кипения (907 °C), а температура пайки латуни и твёрдыми припоями с цинком близка к ней. Испарение цинка даёт пористость шва и вредный дым, поэтому пайку ведут быстро и с вентиляцией.
Почему при пайке нельзя перегревать соединение?
Перегрев усиливает диффузию и растворение: образуются хрупкие интерметаллиды, тонкие стенки разъедаются припоем, а из латуни выгорает цинк.
Читайте также
Еле еле нашёл)