Контактные металлургические процессы при пайке

Лашко Н. Ф., Лашко С. В.

Металлургия, 1977 г.

Контактное плавление в процессах системы пайки

Плавление металла в контакте с жидким припоем

Равновесный переход кристаллических тел из твердого состояния в жидкое (плавление) является фазовым переходом первого рода. Этот переход определяется давлением и температурой и происходит со скачкообразным изменением внутренних интенсивных) параметров тела, не зависящих от его объема и массы, в частности сопровождается потерей устойчивости кристаллической решетки и установлением ближнего порядка расположения атомов.

Автономное плавление металлических сплавов происходит при нагреве их до температуры, равной или большей температуры солидуса. Температура солидуса макрооднородных металлов и сплавов при нагреве их отдельных или контактирующих частиц не является постоянной величиной и изменяется в пределах меньших одного градуса в зависимости от анизотропии кристаллов на поверхности, на которой обычно начинается автономное плавление, границ зерен, степени дисперсности зерен. Например, по Чалмерсу, температура плавления олова по границам его зерен на 0,14°С ниже температуры кристалла олова. Эта разница столь невелика, что ею обычно пренебрегают.

Плавление твердых металлов и сплавов в контакте с другими твердыми, жидкими или газообразными металлами (веществами) ниже температуры их автономного плавления является контактным процессом и отличается специфическими особенностями, характерными для термодинамических метастабильных или лабильных систем. Такой переход кристаллических твердых тел в жидкое состояние часто условно называют растворением. Под растворением понимают переход (односторонний или взаимный) атомов или ионов от одного вещества к другому. Между веществами в одинаковом агрегатном состоянии он происходит путем диффузии или конвекции. Переход атомов (ионов) между твердыми веществами при контакте с веществами, находящимися в ином агрегатном состоянии, включает кинетическую (бездиффузионную) стадию процесса.

Реакция протекает по кинетическому режиму, если акт химического взаимодействия двух веществ является определяющей стадией, а процесс подвода и отвода компонентов реакции (диффузией) не влияет на ее скорость. Если определяющей стадией является подвод реагирующего вещества, то процесс протекает в диффузионной области и скорость процесса определяется законами концентрационной диффузии. Когда скорости реакции и диффузии соизмеримы, то процесс протекает в переходной области. Гомогенная реакция в однородной среде, например в смеси веществ, протекает в диффузионной области.

Более 70 лет тому назад Нернстом было выдвинуто предположение, согласно которому в конденсированных системах на межфазной границе процессы протекают исключительно быстро, значительно скорее, чем в прилегающих к границе объемах

фаз.

Некоторые авторы считают [34], что процесс растворения твердого металла в жидком состоит из двух стадий: разрыва связей атома в кристаллической решетке твердого металла и образования новых его связей с атомами другого жидкого металла и другими атомами, находящимися в растворе (кинетическая стадия). На второй стадии развиваются процессы диффузии в прослойке жидкости между прилежащей к границе раздела жидкой фазой и остальной ее частью (диффузионная стадия).

Процесс перехода твердого вещества в жидкое при контакте с другим жидким веществом в определенном приближении феноменологически описывается простым уравнением, впервые предложенным Н. А. Щукаревым:

В последующих работах были даны расчеты процесса диффузии атомов твердого металла из жидкого слоя, прилежащего к границе раздела фаз. Количественная оценка этого процесса весьма затруднена из-за отсутствия надежных данных о диффузии в жидких расплавах.

Отвод атомов растворенного металла из приграничной области жидкой фазы в остальной ее объем может происходить не только в результате диффузии, но и путем переноса их жидкостью при ее движении (конвекцией). Конвекция может быть вынужденной (механической) или естественной, в результате температурных и концентрационных флуктуации, вызванных, в частности, ликвацией сплава. Обычно конвективное движение в жидкой фазе ускоряет выравнивание состава и достижение равновесной ее концентрации С_ж, определяемой диаграммой состояния и температурой взаимодействия.

Конвективный перенос может происходить η жидкой фазе вне приграничной ее области с твердым металлом.

Экспериментальные данные, полученные при изучении характера растворения многих пар твердых и жидких металлов, показали, что этот процесс определяется преимущественно диффузионной стадией [34]. Это подтверждает гипотезу о большой скорости перехода атомов металлов через межфазную границу на первом этапе их взаимодействия.

Рассмотрение процессов, происходящих в контакте твердого и жидкого металлов с учетом их химического сродства, степени равновесности системы на разных этапах перехода ее к стабильному равновесию и особенностей фазовых переходов первого рода позволяет по-другому трактовать кинетическую стадию процесса на границе твердой и жидкой фаз.