Диаграммы с неустойчивыми химическими соединениями

I. Диаграмма с неустойчивым химическим соединением, образующимся при взаимодействии двух жидких фаз.

Эта диаграмма характеризуется ограниченной растворимостью компонентов в жидком состоянии и отсутствием растворимости компонентов химического соединения в твердом состоянии.

Скрытый максимум – m’.

Диаграммы с химическими соединениями, образующимися в твердом состоянии

Образование и рост прослоек химических соединений в паяных соединениях.

Во многих случаях при пайке результатом физико-химического взаимодействия жидкого припоя и паяемых материалов могут быть химические соединения (интерметаллиды). Их количество, форма и расположение в структуре паяного соединения оказывают существенное влияние на свойства паяных соединений.

Отдельные выделения интерметаллидных фаз в матрице припоя, не соединенные между собой, не оказывают существенного влияния на свойства паяных соединений, а в некоторых случаях повышает их прочность.

Наиболее неблагоприятны сплошные прослойки химических соединений на границе припоя и паяемого металла. Высокая твердость химических соединений, своя кристаллическая решетка, различие физических свойств (линейный коэффициент термического расширения) приводят к тому, что эти прослойки являются слабыми местами в паяных соединениях и определяют их прочность. Известно много случаев когда прочность литых припоев значительно превосходит прочность паяных ими соединений. Так, при пайке меди свинцовым припоем Пср3Кд (прочность литого припоя составляет 11,5 кг/мм2), прочность паяного соединения на разрыв лежит в пределах 2,7…3,5 кг/мм2; при пайке титанового сплава ОТ-4 серебряными припоем Пср-72 (прочность литого припоя составляет 28…31 кг/м2) прочность паяного соединения на разрыв составляет 12…18 кг/мм2.

Для предотвращения образования или торможения роста прослоек химических соединений необходим физико-химический анализ факторов, определяющих эти процессы. Для прогноза образования химических соединений необходим анализ диаграмм состояния взаимодействующих металлов, находящихся в жидкой и твердой фазах. Образование интерметаллидной прослойки возможно лишь тогда, когда контактирующие металлы способны к образованию хотя бы одного химического соединения… вставка

Образование интерметаллидных прослоек на границе твердого и жидкого металла возможно по трем механизмам:

1. В результате химического взаимодействия между ними на межфазной границе, при условии, что скорость образования интерметаллида больше скорости его растворения в жидком припое.

2. В результате диффузии компонентов припоя в паяемый материал и перестройки кристаллической решетки твердого раствора после достижения предела растворимости в кристаллическую решетку интерметаллида.

3. В результате обогащения жидкого припоя атомами паяемого метала вблизи межфазной границы и образования слоя химического соединения при кристаллизации в процессе охлаждения в объеме, прилегающем к паяемому металлу. Такое обогащение может результатом контактного или контактно-реактивного плавления паяемого метала и диффузии его в жидкую фазу.

Начальная стадия образования прослоек химических соединений на границе жидкой и твердой фазы изучена недостаточно. По всей вероятности в местах дефектов кристаллического строения, выходящих на поверхность, происходит зарождение отдельных центров химических соединений, которые растут вдоль межфазной границы до образования сплошной прослойки. Время от начала контакта жидкого припоя до образования сплошной прослойки, которое можно назвать временем подготовительного периода, определяется кинетикой диффузионных процессов и может быть выражено:

(…)

где К – постоянная, зависящая от физико-химических свойств взаимодействующих материалов;

Q_n – энергия активации подготовительного периода;

Т – температура, °К.

Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что порядок времени подготовительного периода может быть от единиц, до десятков секунд. Энергия активации подготовительного периода может быть определена экспериментально из двух значений τ₀:

(…),

откуда:

(…).

После образования сплошной прослойки интерметаллида скорость его роста, в направлении перпендикулярном межфазной границе, будет определятся диффузией компонентов, входящих в состав химического соединения, через эту прослойку. Направление роста прослойки зависит от соотношения парциальных коэффициентов диффузии компонентов жидкой и твердой фазы. Установлено, что коэффициенты диффузии атомов через прослойки химических соединений существенно выше, чем через чистые металлы и их твердые растворы. Учитывая более высокую подвижность атомов жидкого металла, можно предположить, что скорость их диффузии через прослойку выше, чем скорость диффузии атомов паяемого металла. Вероятно по этой причине рост толщины прослойки происходит в большинстве случаев в сторону твердого металла. Этим объясняется и тот факт, что после образования сплошной прослойки на межфазной границе резко тормозится процесс растворения паяемого металла в жидком припое.

Во многих металлических системах-сплавах образуются не одно, а несколько химических соединений. Установлено, что в контакте твердого и жидкого металлов в таких системах образуется и растет прослойка химического соединения богатого легкоплавким металлом.

Так как процесс роста интерметаллидных прослоек – активируемый процесс, энергию активации можно определить по экспериментальным значениям толщины прослойки интерметаллида, образовавшегося при различных температурах.

Кинетика роста толщины интерметаллидной прослойки в контакте жидкого и твердого металла подчиняется параболической зависимости:

,

где: δ – толщина прослойки;

с – постоянная, зависящая от температуры:

;

τ₀ – время подготовительного периода;

τ – время изотермической выдержки при температуре пайки;

Q_Р – энергия активации роста интерметаллида;

Т – температура пайки, °К.

Тогда, определив значения δ₁ и δ₂ при соответствующих температурах Т₁ и Т₂, или времени выдержки τ₁ и τ₂, можно определить энергию активации роста прослойки интерметаллида:

,

.

Произведя преобразование, получим:

Знание величин энергий активации подготовительного периода роста прослойки химического соединения и факторов, определяющих их значения, позволяют управлять процессом возникновения и роста прослоек интерметаллидов.

При больших значениях энергий активации и возможно более низкой температуре пайки время подготовительного периода может иметь один порядок с временем изотермической выдержки при температуре пайки. Сплошная прослойка в этом случае может не сформироваться или иметь незначительную величину, что сведет к минимуму ее влияние на механические свойства соединений.

Одним из путей уменьшения интерметаллидной прослойки может быть и сокращение времени контакта жидкого припоя и паяемого металла. Это достигается нанесением на паяемую поверхность твердого металла покрытия из элемента, составляющего основу припоя и имеющего температуру плавления выше, чем температура пайки. Так, при пайке никеля или сплавов на его основе алюминиевыми припоями на паяемую поверхность наносят покрытие из чистого алюминия, на растворение которого затрачивается время, увеличивающее время подготовительного периода образования химической прослойки.