111. Контактно-реактивное плавление. Технологические особенности контактно-реактивной пайки. Основные схемы. Возможности регулирования и управления.

Контактно-реактивное плавление

Под контактно-реактивным плавлением понимают расплавление двух или нескольких металлов или сплавов в месте их контакта при общем или местном нагреве до температур ниже температуры автономного плавления каждого из них. Контактно-реактивное плавление наблюдается в системах двойных, тройных и более сложных сплавов, образующих эвтектики или твердые растворы с температурой плавления ниже температуры плавления чистых металлов (Cu-Mn, Ag-Cu, Ti-Cu, Ti-Ni, Ni-Pd, Cu-P и др.).

Температура начала контактно-реактивного плавления соответствует температуре наиболее легкоплавкого сплава в системе (рис. …).

Рис. …. Диаграммы состояния сплавов для которых возможно контактно-реактивное плавление.

Контактно-реактивное плавление начинается после образования на контактирующих поверхностях в результате диффузии в твердом состоянии жидких растворов, образующих эвтектику или наиболее легкоплавкий твердый раствор.

Процесс контактно-реактивного плавления можно разделить на три стадии:

1.подготовительная, в процессе которой на поверхности контактирующих твердых металлов возникает прослойка твердых растворов или твердых растворов на основе химических соединений, составляющих фазы эвтектики или наиболее легкоплавкого твердого раствора;

2.появление зародышей жидкой легкоплавкой фазы эвтектики или легкоплавкого твердого раствора;

3.образование и рост толщины прослойки жидкой фазы в направлении перпендикулярном поверхности контакта материалов.

Очевидно, что длительность первой стадии зависит от растворимости контактирующих материалов в твердом состоянии и будет наименьшей для систем с отсутствием растворимости (рис. …).

Рис. …. Диаграмма состояния сплава с отсутствием взаимной растворимости.

Многочисленными исследованиями установлено, что длительность первой стадии при минимальных температурах контактно-реактивного плавления составляет весьма краткие промежутки времени, соизмеримые с долями секунды, секундами.

Если принять размер устойчивого зародыша жидкой фазы равным 100 Å (1 Å = 1·10^–8 см), коэффициент диффузии в твердой фазе D= 1·10^–9, то можно оценить порядок длительности первой стадии, используя выражение:

,

где h_Т – глубина диффузии;

D_Т – коэффициент диффузии;

Τ – время диффузии, на глубину h_Т, сек.

, сек.

Вторая стадия контактно-реактивного плавления также протекает за достаточно малый промежуток времени. Экспериментально установлено (Л.К. Савицкая, П.А. Савинков…), что в системе Bi-Sn при их раздельном нагреве до температуры на 2…3° С превышающей эвтектическую, и приведении их в контакт, жидкая фаза появляется через 0,5 сек.

Рост толщины прослойки жидкой фазы на третьей стадии процесса контактно-реактивного плавления в установившемся режиме в направлении перпендикулярном поверхности контакта будет контролироваться (или определятся) диффузией в жидкой фазе.

Если принять, что на границе контакта фаз постоянно поддерживаются равновесные для данной температуры составы жидкой и твердой фазы, то концентрационные условия на границах раздела фаз и изменение состава по толщине жидкой прослойки h_Ж будут иметь вид, приведенный на рисунке ….

Рис. ….

В этом случае:

,

где D_Ж – коэффициент диффузии в жидкой фазе;

, - равновесные концентрации жидкой фазы на межфазных границах;

, - разность пограничных концентраций на границе жидкой и твердой фаз;

τ – время взаимодействия.

При контактно-реактивной пайке чаще всего один из участвующих в контактно-реактивном плавлении металлов помещают в паяльный зазор в виде тонкой фольги или нанесенного покрытия малой толщины (рис. …).

Рис. …. Схемы расположения перед контактно-реактивной пайкой поверхностей паяемых материалов А и В, способных к контактно реактивному плавлению между собой

Наиболее широко на практике технологическая схема применяется при пайке титановых сплавов, когда в качестве металла, образующего с титаном жидкую фазу припоя, используют медь или никель. Такая же схема применяется при пайке меди со сталью через покрытие из марганца.

Если принять толщину покрытия или фольги равной 10 мкм, то время полного расплавления при температурах 900…1000°С (для стсемы Ti-Cu) будет изменятся от 0,01 до 0,2 секунд. Для системы Cu-Mn в интервале температур 880…900°С это время составляет от 0,18 до 0,09 секунд.

Рис. …. Схемы контактно-реактивной пайки.

Активирование поверхности при контактно-реактивной пайке.

Процесс контактно-реактивной пайки возможен без применения флюсов в окислительной среде, благодаря интенсивному процессу контактно-реактивного плавления металлов через несполошности в достаточно тонкой оксидной пленке, возникающие при нагреве. Причинами появления таких несплошностей могут быть значительная разница в температурных коэффициентах линейного расширения оксидной пленки и паяемого металла; нарушение сплошности пленки около включений инородных фаз сплава; повышение давления газовой фазы некоторых компонентов паяемого материала (следствие – интенсивное их испарение) под оксидной пленкой; локальный механический разрыв оксидной пленки.

При контактно-реактивном активировании значительную роль играют процессы подплавления оксидной пленки, вызывающие ее отрыв от основного металла и диспергацию. При образовании жидких эвтектик, богатых паяемым металлом, подплавление оксидной пленки возможно без существенного перегрева жидкой фазы над эвтектической температурой. При образовании эвтектик, бедных паяемым материалом, активирование становится возможным главным образом в результате контактного твердо-жидкого плавления паяемого материала в образующейся жидкой эвтектике и протекает значительно медленнее.

Контактно-реактивная резка.

На контактно-реактивное плавление оказывают влияние многие факторы:

1.Природа взаимодействующих металлов.

2.Структура металла, которая определяет выход границ зерен в зону контакта. Энергия активации атомов на границе зерен намного меньше, чем в их объеме, поэтому процесс контактно-реактивного плавления более интенсивно протекает по границам, где наблюдаются впадины жидкой фазы.

3.Коэффициент диффузии взаимодействующих металлов. Так в системе Mg-Ag скорость контактного плавления значительно выше, чем в системах Mg-Ni, Mg-Cu.

4.Температура процесса. Скорость контактно-реактивного плавления определяется температурной зависимостью коэффициентов диффузии в твердой и жидкой фазах и пределами растворимости взаимодействующих металлов в твердом состоянии.

5.Напряженность состояния кристаллических решеток на поверхности взаимодействующих металлов.

6.Скорость диффузии металлов через жидкую прослойку.

112.Химические соединения (интерметаллиды) в паяных соединениях. Технологические способы управления процессом образования и роста прослоек интерметаллидов.

ОБРАЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В ПАЯНЫХ ШВАХ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ПРИПОЯ И ПАЯЕМОГО МЕТАЛЛА.

Интерметаллические соединения.

Интерметаллиды в узком смысле – это кристаллы, представляющие соединения металлов друг с другом, а в широком смысле – это двух- или многокомпонентные кристаллы, электронное строение которых имеет характерные признаки металла или полупроводника. В этом случае в состав интерметаллида уже могут входить и неметаллы, образуя, например, карбиды, нитриды или гидриды металлов (фазы внедрения) или ряд других соединений.

Кристаллическая структура интерметаллида отличается от структуры входящих в него отдельных компонентов.

Можно сказать, что интерметаллиды являются «порождением 20 века». В их открытие и исследование внесли существенный вклад и российские ученые. В 1912…1914 годах Н.С. Курнаков, применяя физико-химический анализ к изучению металлических систем, установил существование двух типов интерметаллидов, которым дал название «дальтониды» и «бертоллиды». Дальтониды характеризуются наличием на диаграмме «состав-свойства» наличием сингулярной точки, отвечающей постоянному и, как правило, простому соотношению между числами атомов, образующих интерметаллид. Отсутствие такой точки и переменный состав твердой интерметаллической фазы являются признаками бертоллидов.

Исследования последних десятилетий позволили установить целый ряд разнообразных уникальных свойств интерметаллидов, которые уже сегодня находят широкое практическое использование.

Среди интерметаллидов есть сверхпроводники (V₃Si, Nb₃Ge), полупроводники, ферромагнетики, кристаллы с высокими термоэмиссионными свойствами (LaB₆). Многие интерметаллиды обладают высокой твердостью (WC, TiC), жаропрочностью (TiB₂, Ti₃Al), некоторые обладают эффектом памяти формы (TiNi). На основе некоторых интерметаллидов (Ni₃Al, TiAl) создаются новые конструкционные материалы с высокими эксплуатационными характеристиками.