Виды спаев, виды пайки

Образование паяного соединения происходит в результате воз-никновения химических связей в контакте основной металл – расплав припой, т.е. в результате образования спаев. При пайке между соеди-няемыми металлами и расплавленным припоем образуются два спая, которые, наряду с прослойкой литого металла в шве, обеспечивают прочность паяного соединения. Если при пайке однородных металлов спаи по своей природе, составу и строению одинаковы, то при пайке разнородных металлов, металлов с неметаллами характер взаимодействия основного материала с расплавом припоя, природа возникающих связей, состав и структура спаев различны, поэтому рассматривать эти спаи в шве нужно раздельно.

Взаимодействие основного металла с расплавом припоя приводит к возникновению четырех разновидностей спаев. Каждый вид спая имеет свои особенности.

Бездиффузионный спай

При взаимодействии основного металла с расплавом припоя процесс может быть ограничен во времени. Если его зафиксировать на стадии хемосорбции и образования химических связей, когда процессы гетерогенной диффузии в объеме взаимодействующих металлов развития не получили, то получим так называемый бездиффузионный спай. Для образования бездиффузионного спая необходимо, чтобы температура пайки соответствовала температуре смачивания, а продолжительность взаимодействия твердой и жидкой фаз не превышала времени ретардации (задержки) диффузионных процессов. Прочность соединения при этом обеспечивается за счет возникновения химических связей в двумерном слое, образующимся в зоне спая. Бездиффузионный спай дает соединения, не изменяя физико-химические свойства основного металла, поэтому он важен при соединении полупроводников с металлами, где требуется неизменность электрофизических свойств проводников.

Растворно-диффузионный спай

Образуется, когда основной металл и припой обладают взаимной растворимостью, а продолжительность контактирования твердой и жидкой фаз превышает время релаксации пика межфазной энергии. Такой спай наиболее часто встречается в паяных соединениях. Его могут образовывать металлы с неограниченной растворимостью в твердом состоянии, с ограниченной растворимостью, дающие эвтектики и интерметаллические соединения.

Контактно-реакционный спай

Образуются в результате контактного плавления соединяемых металлов. Этот вид спая характеризуется следующими особенностями:

1. Пайка идет при температурах ниже точек плавления взаимодействующих металлов;

2. Процесс образования спая при температуре пайки начинается при отсутствии жидкой фазы;

3. В момент образования жидкой фазы, взаимодействующие металлы (при наличии растворимости в твердом состоянии) предельно насыщены диффундирующим в них компонентом;

4. Развитие процесса взаимодействия в зоне спая при температуре пайки идет в направлении увеличения количества жидкой фазы в шве.

Контактно-реакционный спай возникает, когда соединяемые металлы дают эвтектики или образуют растворы с минимумом на кривой ликвидуса.

Диспергированный спай

Пайкой можно получить соединения, когда основной металл и припой не сплавляются и не вступают в химическое взаимодействие. Например, пайка железа успешно протекает при применении в качестве припоя не сплавляющегося с ним серебра или свинца; вольфрам можно паять не сплавляющимися с ним медью, серебром или оловом. В этом случае взаимодействие расплавов с основным металлом характеризуется диспергированием расплава, поэтому спаи между не сплавляющимися металлами названы диспергированными. Для образования диспергированного спая в отдельных случаях требуется высокая степень термической активации. Необходимый перегрев при пайке вольфрама, например следующий: при пайке оловом 698 ⁰С, серебром 330 ⁰С, медью 37 ⁰С. Строение спаев в этом случае зависит от интенсивности диспергирования. Если дисперсные частицы равномерно распределены в расплаве припоя и при кристаллизации не выделяются, то спай состоит из диффузионной зоны, образовавшийся в результате миграции припоя по границам зерен и дефектам структуры основного металла. При определенном содержании в шве дисперсные частицы выделяются на подложку, образуя прикристаллизационные слои.

По особенностям процесса и технологии пайку можно подразде­лить на капиллярную, диффузионную, контактно-реакционную, реакционно-флюсовую и пайку-сварку.

Капиллярной называют пайку, при которой припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями деталей и удерживается в нем за счет капиллярных сил. Схема образования шва при капиллярной пайке приведена на рис.1.

а) перед пайкой б) после пайки

Рис. 1 – Схема образования шва при капиллярной пайке

Эта разновидность пайки наиболее распространена. Во всех случаях, когда в паяном соединении имеется перекрытие элементов деталей (нахлестка), возможна капиллярная пайка. Капиллярная пайка может быть горизонтально-капиллярной и вертикально-капиллярной в зави­симости от положения паяного шва в пространстве. При вертикаль­ном течении припой в зазоре может подниматься на ограниченную высоту и это ограничивает величину нахлестки. При горизонтально-капиллярной пайке теоретически припой может течь неограниченно. Однако, поскольку припой в процессе пайки вступает во взаимодей­ствие с основным металлом и, насыщаясь им, изменяет свои свойст­ва, то горизонтальное течение его будет также ограниченным, но в меньшей мере, чем при вертикально-капиллярной пайке. Исходя из этого, при конструировании паяных изделий необходимо стремиться создавать условия для горизонтального течения припоев.

Диффузионной называют пайку, отличающуюся длительной выдержкой с целью упрочнения соединения за счет диффузии компонентов при­поя и паяемых металлов. При диффузионной пайке в зависимости от сочетания основного металла и припоя возможно:

1) Образование в шве твердого раствора, благодаря чему повышает­ся пластичность и прочность паяного соединения. Например, при пай­ке никеля медью в результате диффузионных процессов происходит образование в шве твердого раствора со столь постепенным изменением концентрации компонентов, что иногда трудно установить гра­ницу между основным металлом и припоем.

2) Образование в шве тугоплавких, хрупких интеметаллидов. Их об­разование обусловлено протеканием реакционной диффузии, которая приводит к повышению температуры плавления металла шва и увеличению жаропрочности паяных соединений. Так, например, при пайке вольфрама припоем платина-бор с температурой плавления 885 °С про­текает реакция

3W + PtB Û PtW + W₂B

с образованием в шве сплава с температурой плавления выше 2000°С. Два приведенных примера позволяют выделить две основные разновид­ности диффузионной пайки: атомно-диффузионную и реакционно-диф­фузионную.

Контактно-реакционной называется пайка, при которой между сое­диняемыми металлами или между соединяемыми металлами и прослойкой другого металла в результате контактного плавления образуется сплав, который заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение. Примером контактно-реакционной пайки при вза­имодействии между паяемыми металлами является соединение меди с серебром без нанесения припоя. При нагреве до температуры пайки происходит контактное плавление соединяемых металлов с образова­нием сплава медь-серебро. Аналогичное взаимодействие может протекать между одним из соединяемых металлов и покрытием на втором или между соединяемыми металлами и фольгой третьего металла, вво­димого в зазор между ними. При этой пайка в отличие от обычных условий производится при температуре ниже температуры плавления покрытия или фольги. Схема контактно-реактивной пайки приведена на рис. 2.

а) перед пайкой

б) после пайки

Рис 2 – Контактно-реакционная пайка

Реакционно-флюсовой называют пайку, при которой припой образу­ется за счет реакции вытеснения между основным металлом и

флюсом. Реакционно-флюсовая пайка может осуществляться в двух вариантах:

– без введения припоя и

– с дополнительным введением припоя.

Примером реакционно-флюсовой пайки без введения припоя является пайка алюминия с флюсом, содержащим большое количество хлористо­го цинка. При пайке на соединяемые поверхности алюминиевых де­талей наносят избыточное количество флюса. При нагреве между хло­ристым цинком и алюминием протекает реакция

3ZnCl₂ + 2Al Û 2AlCl₃ + 3Zn

Восстановленный из хлорида цинк является припоем. Он осаждается на поверхности алюминия, затекает в зазор и соединяет паяемые де­тали. При больших зазорах или недостаточно обильном флюсовании в зазор дополнительно вводят припой.

Пайкой-сваркой называется пайка, при которой паяное соединение образуется способами, характерными для сварки плавлением, но в ка­честве присадочного материала применяется припой. Пайка-сварка подразделяется на пайку без оплавления кромок соединяемых деталей и с оплавлением кромок одной из соединяемых деталей, изготовленной из более легкоплавкого металла.

Схема образования шва при пайке-сварке приведена на рис.3.

Рис. 3 – Образование шва при пайке-сварке

Лужение. Родственным пайке процессом является лужение. Лужением называется способ покрытия поверхности металлов слоем расплавленного припоя с образованием в контакте основной металл-припой сплавов переменного состава с теми же зонами, что и при пайке. Если при пайке прочность паяного соединения определяется прочностью двух спаев и зоны сплавления, то при лужении прочность связи слоя полуды с основным металлом зависит от прочности пере­ходного слоя (спая) между ними.

Лужение можно применять как предварительный процесс с целью создания более надежного контакта между основным металлом и при­поем или как покрытие для защиты металлов от коррозии. Для повы­шения прочности спая при лужении иногда проводят последующую тер­мическую обработку.

Наиболее широкое применение в промышленности нашла в настоя­щее время капиллярная пайка. Диффузионная и контактно-реакционная пайки менее изучены, но они обеспечивают высокое качество паяных соединений. Их целесообразно применять в тех случаях, когда в про­цессе пайки можно обеспечить минимальные зазоры между соединяемы­ми деталями.

Пайку-сварку обычно применяют при устранении поверхностных дефектов в литых деталях.

Для соединения конструкционных материалов пайку-сварку приме­няют редко.

Реакционно-флюсовая пайка мало изучена и из-за сложности техноло­гии и большого расхода флюса распространения не получила.

ЛЕКЦИЯ №4