Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. Флюс и припой

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

1. Что следует понимать под общими условиями судебного раз­бирательства?

2. Перечислите общие условия судебного разбирательства.

3. Что понимается под гласностью судебного разбирательства?

4. Дайте характеристику правила о равенстве прав сторон.

5. Что означает термин «пределы судебного разбирательства»?

6. В каких случаях суд может принять решение об отложении судебного разбирательства на определенный срок?

7. Назовите этапы судебного разбирательства и дайте их харак­теристику.

8. Может ли подсудимый быть ограничен в продолжительности последнего слова?

9. Назовите виды приговоров. Охарактеризуйте порядок по­становления и провозглашения приговора.

[1] К таким формам относятся рассмотрение уголовных дел миро­вым судьей (разд. XI УПК), рассмотрение дел в особом порядке (разд. X УПК), рассмотрение уголовных дел с участием присяжных заседателей (разд. XIII УПК), рассмотрение дел в отношении несовершеннолетних и о применении принудительных мер медицинского характера (разд. XVI УПК).

[2] См.: п. 13 постановления Пленума Верховного Суда РФ от 22.12.2009 №28.

[3] См.: постановление Пленума Верховного Суда РФ от 17.09.1975 № 5 «О соблюдении судами Российской Федерации процессуального законодательства при судебном разбирательстве уголовных дел».

[4] См.: постановление Пленума Верховного Суда РФ от 29.04.1996 № 1 «О судебном приговоре».

[5] См.: Постановление Конституционного Суда РФ от 22.03.2005 № 4-П «По делу о проверке конституционности ряда положений Уголовно-процессуального кодекса Российской Федерации, регламенти­рующих порядок и сроки применения в качестве меры пресечения заклю­чения под стражу на стадиях уголовного судопроизводства, следующих за окончанием предварительного расследования и направлением уголов­ного дела в суд, в связи с жалобами ряда граждан».

[6] См.: Определение Конституционного Суда РФ от 20.10.2005 № 372-0 «Об отказе в принятии к рассмотрению жалобы гражданина Ефименко Сергея Александровича на нарушение его конституционных прав частью третьей статьи 255 Уголовно-процессуального кодекса Рос­сийской Федерации».

[7] См.: Обзор кассационной практики Судебной коллегии по уголов­ным делам Верховного Суда Российской Федерации за 2006 год // Бюл­летень Верховного Суда РФ. 2007. № 9.

[8] См.: определение Верховного Суда РФ от 13.04.2007 № 9-Д07-8.

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

Пайка является наиболее древним способом соединения метал­лов. На основе археологических раскопок известно, что человек достаточно хорошо владел ею еще 3-5 тысяч лет назад. Так, при раскопках на территории Древнего Египта были найдены паяные медно-серебряным припоем трубы, которые по заключению специалистов были изготовлены около пяти тысяч лет назад. На территории Вави­лона обнаружены паяные золотые изделия. Так, в гробнице царицы Шубад, жившей в 200-х годах до нашей эры, найдены паяные сосуды. В раскопках Египетских пирамид (2000 лет до новой эры) найдены золотые изделия, паянные эвтектическим сплавом золото-углерод.

У римского писателя Плиния старшего, жившего в первом веке нашей эры имеется упоминание о пайке. Приводятся некоторые оловянносвинцовые припои:

тетрарий – 1/3 Sn и 2/3 Рb

аргентарий – 1/2 Zп и 1/2 Pb

В Помпее, Нубии и в Ливии найдены паяные свинцовые трубы.

На территории СССР также найдено множество самых различных паяных изделий, относящихся к глубокой древности. Обычно это ору­жие, предметы домашнего обихода и украшения. Особенно много ма­териалов, характеризующих применение пайки в Древней Руси, дали раскопки на Южном Урале и около Киева.

В развитие пайки металлов внесли вклад русские ученые. Так, например, М.В. Ломоносов впервые наблюдал и описал явление спаи­вания металлов в разряде атмосферного электричества. Д.И. Менде­леев в своем капитальном труде «Основы химии» первым дал объяснение процесса флюсования при пайке с применением в качестве флюса водного раствора хлористого цинка.

До конца XIX столетия пайка наряду с кузнечной сваркой была основным способом соединения металлов с применением нагрева. С появлением в конце XIX века электрических методов сварки, раз­работанных русскими инженерами Н.Н, Бенардосом и Н.Г. Славяновым, интерес к высокотемпературной пайке резко охладел, и научно-тех­нический прогресс того времени практически не затронул пайку, ко­торая оставалась на уровне ремесла до тридцатых годов нашего сто­летия. Лишь с развитием таких новых отраслей, как самолетострое­ние, моторостроение, ракетостроение, радиоэлектронная и атомная техника, когда в отдельных случаях оказалось невозможным приме­нение сварки, научная мысль вновь обратилась к пайке. Именно в этот период разработан способ пайки в высокопроизводи­тельных конвейерных электропечах и созданы автоматы для индукци­онной вакуумной пайки.

Прогресс в развитии пайки в нашей стране достигнут в резуль­тате усилий многих советских ученых, инженеров и новаторов произ­водства, однако наибольший вклад внес в нее лауреат Ленинской и Государственной премий Сергей Николаевич Лоцманов, которого по праву можно назвать основоположником современного процесса пайки.

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. В качестве примера приводится фотография камеры сгорания современного ракетного двигателя, изготовленная пайкой (Рис. 1).

Рис. 1– Камера сгорания современного ракетного двигателя, изготовленная пайкой

Большой вклад в развитие пайки внесли такие советские ученые А.И. Губин, Р.Е. Есинберлин, С.В. Лашко, З.П.Фролов и др. В нашей стране разработаны и внедрены в производство высокопроч­ные и кислотостойкие припои, активные газовые среды, специальные печи для пайки крупногабаритных изделий, успешно решается задача пайки титановых, алюминиевых и магниевых сплавов, а также пайки металлов с полупроводниками, графитом, керамикой и др. материа­лами.

После второй мировой войны начался период бурного развития пайки, вызванный прогрессом в атомной, ракетной, радиоэлектронной и других отраслях новой техники.

В автотракторостроении пайку применяют в производстве радиа­торов, а также при изготовлении трубопроводов топливных и масля­ных систем и ряда других деталей. Механизация процессов пайки позволяет значительно улучшить качество паяных соединений и зна­чительно сократить расход дефицитных оловянносвинцовых припоев. Так на Московском автозаводе им. Лихачева успешно работает авто­матическая линия по изготовлению автомобильных радиаторов, позволившая высвободить большое число рабочих. Значительный интерес представляет внедрение в автотракторном моторостроении паяных блоков цилиндров и даже картеров двигателей, изготовленных из тонкостенных заготовок. Опыт показывает, что паяные блоки менее трудоемки в изготовлении, значительно легче литых и имеют лучшие эксплуатационные свойства.

В станкоинструментальной промышленности широко используется пайка при изготовлении режущего инструмента, в особенности из твердых сплавов. В самолетостроении имеется возможность перейти от алюминиевой обшивки, соединяемой клепкой, на конструкции, изго­товляемые из высокопрочных нержавеющих сталей в виде паяных в пе­чи панелей с сотовым заполнителем; пайка является основным процессом при производстве камер сгорания жидкостных ракетных двигателей, качественно изготовить которые удается только с по­мощью пайки.

В радиоэлектронной промышленности пайка позволила коренным образом изменить существовавшие до этого принципы конструирова­ния и производства радиоаппаратуры. Например, создание печатных радиосхем (плат) дало возможность автоматизировать весь комплекс технологических процессов изготовления радиоаппаратуры.

Такое широкое распространение и развитие пайки стало возмож­ным благодаря его универсальности, как способа соединения метал­лов. Пайка позволяет:

1. Соединять металлы в любом сочетании.

2. Соединять металлы в любом температурном интервале, начиная от комнатной до температуры плавления паяемого металла.

3. Соединять металлы с неметаллическими материалами.

4. Получать соединения без внутренних напряжений и без короб­ления изделий.

5. Получать легко разъемные паяные соединения.

6. Выдерживать более точно размеры и форму изделий, что достигается отсутствием сплавления основного металла в зоне соединения.

7. Паять одновременно (за один прием) большое число изделий и, таким образом, наиболее полно отвечать условиям массового про­изводства.

8. Обеспечивать высокую культуру производства при полной меха­низации и автоматизации технологического цикла получения паяного изделия.

По своей природе пайка – процесс соединения материалов в твер­дом состоянии с применением нагрева. Как физико-химический про­цесс пайка охватывает собой широкий круг явлений, протекающих в твердой, жидкой и газовой фазах: окисление и восстановление, флюсование, смачивание и капиллярное течение, адсорбцию, раство­рение и диффузию, плавление и кристаллизацию и др. Поэтому проб­лемы пайки разрабатываются на основе металловедения, теории метал­лургических процессов, физической химии, термодинамики, учения о прочности, теории сварочных процессов и др.

ЛЕКИЦИЯ №2

§

Паяное соединение получается в результате перемещения жидкой фазы по твердой и образования между ними прочной связи до затвердевания, при затвердевании и после него. Хорошая смачивающая способность припоя при этом является одним из важнейших условий получения качественного паяного соединения.

Перемещение жидкостей по поверхности твердого тела или внутри его происходит по разным причинам в зависимости от характера их физико-химического взаимодействия. В гидродинамике идеальной жидкости при определении закономерностей ее перемещения исходят из представления об однородной жидкости с заданной плотностью, не имеющей собственной формы. При этом пренебрегают особенностью состояния поверхности жидкости, отличающей ее от внутренней части. Более сложны модель вязкой жидкости и закономерности ее смещения.

В настоящее время при теоретическом изучении перемещения жидкой фазы по паяемому материалу обычно игнорируются возможные химические процессы между ними и учитываются только поверхностное натяжение и коэффициент вязкости жидкости.

Рассмотрим каплю жидкого припоя, лежащую на горизонтальной поверхности в среде флюса, исходя из предположения, что имеются идеально чистые поверхности металла, и что повторное окисление или другие воздействия окружающей среды невозможны. На рис. 1 показана трехкомпонентная система, в которую входят твердый металл, жидкость и газ.

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

1. Твердая фаза;

2. Жидкий припой;

3. Газовая фаза или флюс;

4. q — угол смачивания.

Рис. 1 – Схема равновесия капли жидкого металла на твердой поверхности

В момент полного термодинамического равновесия, при отсутствии диффузии или химической реакции, в системе существует граница раздела, на которой встречаются все три фазы. Фазы располагаются под некоторым углом друг к другу. Угол q, образованный касательными к границам раздела между твердым и жидким металлом, содной стороны, и жидким металлом и газом или флюсом, с другой стороны, называется краевым углом или углом смачивания.

Рассмотрим векторы, исходящие из точки А. Три силы характеризуют величины поверхностной энергии, приводящие систему к равновесию.

Вектор sжг представляет собой поверхностное натяжение между жидким металлом и газом, действующее по касательной к линии поверхности жидкого металла. Фактически это сила, которая стремится уменьшить до минимума поверхность капли в данной флюсовой среде. Эта сила, называемая поверхностным натяжением, возникает в любой жидкости, стремясь уменьшить площадь поверхности. В отсутствии других сил поверхностное натяжение придало бы капле сферическую форму, так как из всех тел равного объема шар обладает минимальной поверхностью. Гравитационные силы и напряжения на поверхностях раздела между жидкостью и окружающей средой обычно противодействует этому поверхностному натяжению, так что жидкость принимает какую-либо иную форму.

Поверхностное натяжение sжт представляет собой силу, действующую между жидким пропоем и твердым основным металлом, а поверхностное натяжение sтг – между основным металлом и газом. Как сила sжт, так и sтг действуют вдоль поверхности твердого тела, но в противоположных направлениях.

Кроме этих трех напряжений участвует поверхностное натяжение sтт – двух твердых тел (в частности, двух зерен по их границе).

Связь между межфазными поверхностными натяжениями определяется тремя условиями равновесия (Рис. 2).

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

а) б) в)

а) жидкая капля на поверхности;

б) по границе жидкой и твердой фаз в поликристаллическом металле;

в) по границе зерен в контакте с газом.

Рис. 2 – Условия равновесия

Математически равновесие жидкой фазы в контакте с твердой и газообразной представляется в виде:

sтг = sжгcosq sтж(1)

Равновесие жидкой фазы в контакте с твердой представляется в виде:

sтт = 2sжтcosq/2 (2)

Равновесие твердой фазы в контакте с газообразной представляется в виде:

sтт = 2sтгcosq/2 (3)

Рассмотрим формулу (1). Растекание или смачивание будет иметь место, когда величина sтг превышает сумму sжгcosq sтж. Показателем соотношения между этими силами может служить величина угла смачивания q. Двумя предельными состояниями является полное отсутствие смачивания, когда q = 1800 и полное смачивание, когда q = 00. При 00 < q < 1800 имеет место частичное смачивание. Обычно время пайки слишком мало и система затвердевает до наступления равновесия.

Диапазон угла смачивания (00¸1800) можно разделить на три интервала следующим образом (Рис. 3):

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

1 2 3

1 – полное отсутствие смачивания

2 – полное смачивание

3 – частичное смачивание

Рис. 3 – Диапазоны углов смачивания

а) q > 900. Если бы система имела возможность затвердевать после достижения полного равновесия, то условие q > 900 указало бы на отсутствие смачивания поверхности твердого металла жидким. Форма капли жидкого припоя определяется в этом случае действием сил тяжести и поверхностного натяжения.

Если система затвердела до того, как было достигнуто термоди-намическое равновесие, то соотношение q > 900 указывает на явление, называемое скатыванием припоя. При скатывании на металле остаются следы смачивания, в противном случае поверхность несмачиваемая.

б) 900 > q > М. Данное соотношение указывает на условия предельного смачивания. Обычно М = 750, и если не созданы некоторые необходимые условия, то смачивание такого типа при пайке неприемлемо.

в) q < М. Это неравенство является условием хорошего смачивания. Если необходимо, чтобы паяное соединение было высокого качества, то величину угла М следует брать менее 750.

Движущая сила при растяжении припоя в процессе пайки зависит от краевого угла q, определяемого как

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (4)

Наилучшие условия создаются при увеличении межфазной поверхностной энергии на границе твердое тело – газ и жидкое тело – газ и уменьшении этой энергии на границе твердое тело – жидкость.

На величину угла смачивания влияют много факторов. Так, например, установлено, что при наличии окислов на поверхности металла угол q увеличивается. Флюсы при пайке предназначены для изменения межфазных энергий на границе твердой и жидкой фаз с целью уменьшения краевого угла.

Угол смачивания зависит от состояния поверхности твердого металла. По шероховатой поверхности жидкий припой растекается на большой площади, чем на гладкой. Это явление получило название капиллярного гистерезиса, т.к. канавки шероховатой поверхности, обладая развитой площадью, действуют подобно капиллярным трубкам.

На смачивание и на поверхностное натяжение влияет температура системы. С ростом температуры увеличиваются и скорость смачивания. При определенной температуре (специфичной для каждой системы) наблюдается резкий рост растекания. Такая температура называется критической.

Следует различать смачиваемость обратимую и необратимую. При ничтожной взаимной растворимости жидкого припоя и паяемого металла обычно наблюдается следующие явления, связанные с растекаемостью. Жидкий припой при температуре его плавления или несколько выше собирается в виде капель. При повышении температуры капли растекаются по паяемому металлу, но при последующем охлаждении происходит обратный процесс собирания фазы в капли.

Эти обратимые процессы могут повторяться много раз (если им не препятствуют процессы окисления). Состав капли при этом не изменяется. Примером подобного смачивания служит растекаемость серебра по железу, свинца по железу, меди и серебра по чистому молибдену. Наличие примесей в этих металлах устраняет это явление.

Необратимое смачивание твердого металла жидким происходит тогда, когда они способны образовывать между собой твердые растворы, эвтектики или химические соединения.

В некоторых случаях активного химического взаимодействия паяемого металла с внесенным жидким припоем наблюдается образование жидкой более легкоплавкой эвтектики из компонентов припоя и паяемого материала. Это может привести к нежелательному самопроизвольному вытеканию жидкой фазы из зазора и растеканию ее по основному металлу. Примером может служить пайка титана эвтектическим припоем ПСр72или припоями на основе эвтектики Ag – Cu (вытекает эвтектика Ti – Cu).

Различают три стадии растекания и взаимодействия жидкого припоя с поверхностью металла. Первая стадия этого процесса характеризуется относительно слабым взаимодействием припоя и паяемого металла. Жидкий припой фронтально движется по поверхности. Такой характер растекания может сохраняться при изменении температуры пайки в широких пределах и наблюдается при растекании припоя химически слабо взаимодействующего с паяемым металлом (серебра по железу, медномарганцевого припоя ВПр2 по нержавеющей стали Х18Н9Т).

Стадия фронтального перемещения припоя по поверхности металла в случае достаточно интенсивного физико-химического взаимодействия припоя и паяемого металла с повышением температуры пайки переходит во вторую стадию. Она характеризуется локальным перемещением припоя и растворением паяемого материала в жидком припое. Если быстро образуется легкоплавкая структура, то легкоплавкая часть жидкой фазы растекается в виде разветвленных ручьев, в углублениях которых происходит дальнейшее интенсивное растворение основного металла (припой Ni – Cr – Mn по Х18Н9Т при перегреве). При небольшом перегреве жидкой фазы наблюдается сильная разветвленность с неглубоким растворением основного материала.

1 – фронтальная стадия

2 – локальная стадия

3 – общая эрозия

Рис. 5 – Стадии растекания.

Реакционная способность припоя с ростом температуры увеличивается, а растворение материалов в припое происходит по всему фронту (третья стадия). Поверхность такого прореагировавшего сплава неровная, волнистая. В некоторых случаях третья стадия непосредственно следует за первой, минуя вторую. В третьей стадии особенно интенсивная химическая эрозия паяемого материала может развиваться в местах скопления больших количеств припоя. Пайка при подобном характере взаимодействия припоя и паяемого металла должна происходить при температурах первой стадии растекания припоя и при возможно более коротких выдержках.

Кроме растекания в процессе пайки наблюдается три вида проникновения припоя или его элементов между границами зерен паяемого металла (межкристаллитное проникновение).

1. Преимущественная диффузия элементов припоя на границах зерен паяемого металла в твердом состоянии.

2. Проникновение элементов припоя с образованием по границам зерен легкоплавкой структуры.

3.Проникновение жидкого припоя по границам зерен, ослабленных напряженным состоянием основного металла.

Проникновение припоя по границам зерен паяемого металла является нежелательным, так как обычно ухудшает прочность, пластичность, вязкость и другие свойства паяемого соединения.

Необходимым и достаточным условием проникновения жидкого припоя по границам зерен, если в контакте находятся две одинаковые фазы (зерен) и жидкость, следующие

sтт > 2sтж

В настоящее время мало сведений относительно реальных значений поверхностных натяжений и sтт и sтж. Недостаточность этих сведений не позволяет, зная состав припоя и основного металла, сказать, будет ли наблюдаться проникновение припоя по границам или нет. Можно только отметить, что проникновение припоя наблюдается при пайке углеродистой стали медью и припоем эвтектического состава Fe – B, в то время как на чистом железе этого не бывает.

Обычно наряду с проникновением припоя по границам зерен идут процессы фронтального растворения паяемого металла (общей эрозии), уменьшающей эффект межзеренного проникновения. Интенсивность этих процессов зависит от скорости диффузии, температуры, количества припоя и т.д. Необходимым условием самопроизвольного растекания припоя по свободной поверхности паяемого материала и затекания в зазоры является сопровождающее эти процессы снижение свободной поверхности энергии системы. Очевидно, что неограниченное растекание по свободной поверхности происходит лишь при полном смачивании (cosq = 1). Тогда условие растекания может быть выражено следующим образом:

sжг sжт < sтг

Непосредственный энергический эффект растекания, который является термодинамической движущей силой растекания, называется обычно коэффициентом растекания (Кр). В данном случае

kр = sтг — sжг — sжт

Растекание возможно при kр = 0 и интенсифицируется с увеличением положительного его значения.

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

Рис. 6 – Схема растекания капли жидкости на твердой поверхности

При анализе растекания обычно исходят из предположения о том, что в ходе его в любой момент времени существует равенство между капиллярной силой

Fк = kр∙2r,

где r – радиус растекающейся капли,

и силой вязкого сопротивления течению, что соответствует стационарным условиям течения. Для определения вязкого сопротивления реальная растекающаяся капля может быть схематически в форме цилиндра некоторой высоты, определяемой достигнутым радиусом растекания и исходным объемом жидкости (Рис. 6).

Принимая для растекания по свободной поверхности постоянный градиент скорости течения по толщине слоя жидкости (высоте цилиндра) и приравнивая полученное значение силы вязкого сопротивления круговому течению величине капиллярной силы, можно прийти к следующему приближенному выражению для скорости кругового растекания:

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. , (5)

где Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. – скорость изменения радиуса капли;

kр – коэффициент растекания;

Vo – объем капли жидкости;

h – динамический коэффициент вязкости.

После интегрирования этого уравнения получаем время растекания t:

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (6)

Экспериментальная проверка на системе цинк – ртуть показала, что при растекании по шероховатой поверхности наблюдается достаточно хорошее совпадение опытных и расчетных данных. На гладкой же полированной поверхности процесс осложняется поверхностной диффузией жидкого металла, опережающей распространение фазового слоя и снижающей скорость собственного растекания из-за уменьшения поверхностной энергии твердого металла.

При перемещении жидкого припоя в капиллярном зазоре, (в отли-

чие от растекания по свободной поверхности), коэффициент растекания определяется по формуле

kр = 2(sтг — sтж)

поскольку при движении в зазоре свободная поверхность жидкости не увеличивается. Отнеся капиллярную силу (которая в данном случае на единицу длины фронта течения равна Fк = kр) к площадке сечения жидкого металла в зазоре, получим капиллярное давление

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. , (7)

где а – ширина капиллярного зазора.

При ограниченном смачивании капиллярное давление может быть выражено через краевой угол смачивания

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (8)

Следовательно, заполнение зазора жидким припоем при капиллярной пайке возможно, если краевой угол в процессе смачивания устанавливается меньше 90°. В противном случае жидкий припой, даже введенный первоначально каким-то технологическим приемом в зазор, будет под действием капиллярного давления выталкиваться из зазора.

В условиях заполнения горизонтального капиллярного зазора между двумя плоскими поверхностями в установившемся состоянии потока должно иметь место равенство сил, вызывающих течение слоев жидкости в зазоре и противодействующих течению (Рис. 7).

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

Рис. 7 – Схема течения жидкости в горизонтальном зазоре

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (9)

После интегрирования уравнения (9) получаем распределение скорости по ширине зазора:

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. ,

где с – постоянная интегрирования.

Согласно Пуазейлю жидкость у стенок покоится, то есть U = 0

при y = а/2,следовательно, постоянная интегрирования Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. . Окончательно получим

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (10)

Из полученного соотношения следует, что скорость течения жидкости по толщине слоя изменяется по параболическому закону.

Средняя скорость, то есть скорость, усредненная по толщине слоя, определяется уравнением

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (11)

После интегрирования получим

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (12)

Интегрируя уравнение (12) и принимая, что l = 0 приt = 0,а также, учитывая соотношение (8), получаем выражение для времени заполнения горизонтального зазора

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (13)

Из полученного соотношения следует, что время заполнения капиллярного зазора t уменьшается с увеличением kр и большие зазоры заполняются быстрее.

Заполнение вертикального капилляра происходит под действием давления, представляющего собой разность между капиллярным давлением и давлением столба жидкости высотой h, достигнутой в данный момент времени

DR = Rк — rgh(14)

Подставив DR в уравнение (4.18) вместо Рк получим

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (15)

Интегрируя полученное уравнение (15), получаем время заполнения вертикального зазора

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (16)

где h0 – максимальная высота поднятия столба жидкости в капилляре.

Все приведенные расчеты основаны на предложении, что поток, заполняющий зазор, ламинарный. Ламинарный поток будет в том случае, если величина критерия Рейнольдса (Re) меньше 1000. Для условий паяного шва

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (17)

Подстановка реальных величин в формулу для определения критерия Рейнольдса дает величину Re @ 600 (при а = 0,1 мм и h = 5 мм). Отсюда следует, что анализ процессов заполнения жидким припоем зазора под пайку, основанный на предложении, что поток ламинарный, правилен.

Согласно расчетам по формулам (13) и (16) время заполнения медью, полностью смачивающей основой металл горизонтального и вертикального капилляров длиной 20 мм с зазором 0,1 мм, составляет тысячные доли секунды. Отсюда следует, что в реальных условиях время заполнения зазоров при пайке определяется главным образом условиями механической обработки поверхности основного металла и характером взаимодействия металла и припоя.

§

Капиллярные явления играют в пайке исключительно большую роль. От того, насколько хорошо расплавленный припой смачивает поверхность основного металла, и затекает в зазоры, в конечном итоге зависит получение плотного и прочного паяного соединения.

Согласно статической теории, растекание жидкостей и смачивание ими поверхности твердого тела сопровождается увеличением поверхности и происходит в результате работы сил поверхностного натяжения. Эта работа совершается разностью давлений между вогнутой и выпуклой стороной поверхности смачивающей жидкости и может быть определена, исходя из изменения энергии этой поверхности.

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

Рассмотрим условия равновесия элементарного криволинейного элемента – abcd.

Пусть нормали в точках а и b элемента рассматриваемой поверхности пересекаются в точке О1, образуя угол w1, а нормали в точках b и с пересекаются в точке О2, образуя угол w2. Тогда площадь прямо-угольного элемента аbсd будет равна произведению сторон S = аb∙bс.

Под действием разности давлений между вогнутой и выпуклой стороны поверхности элемента точки а, в, с и dпереместятся по нормалям на расстояние d соответственно в положение а’, в’, с’, d’, образуя элементы с площадью S1. Площадь нового элемента через углы w1 и w2 будет равна

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. ,

где Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

Пренебрегая малыми величинами второго порядка, получим

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (18)

Приращение поверхности рассматриваемого элемента жидкости при перемещении составит

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. ,

тогда работа преодоления сил поверхностного натяжения равна

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

С другой стороны, эта работа может быть выражена через разность давлений между вогнутой и выпуклой стороной поверхности рассматриваемого элемента

А = (Р1 – Р2)∙аb∙bс∙d,

где Р1– давление с вогнутой стороны;

Р2 – давление с выпуклой стороны.

Никакие другие силы, кроме сил молекулярного взаимодействия, в увеличении поверхности жидкости не участвуют, поэтому оба выражения можно приравнять

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

откуда

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (19)

Данное выражение является первым уравнением капиллярности (формула Лапласа). Из него следует, что поверхностный слой жидкости, имеющий кривизну, испытывает добавочное давление по сравнение с тем, которое он испытывает при наличии плоской поверхности. Этим добавочным давлением главным образом обусловлены все капиллярные явления.

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

Рис. 8 – Схема подъема жидкости в капилляре

Например, если жидкость течет по капилляру диаметром d, то высота его поднятия над заданным уровнем поверхности ванны, согласно закону капиллярности будет определяться разностью давлений между вогнутой и выпуклой стороной поверхности мениска. Избыточное давление Р1 – Р2 может быть выражено через высоту столба жидкости над заданным уровнем и его плотность.

При малом диаметре капилляра свободная поверхность жидкости будет иметь форму сферы, тогда

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. ,

где q – краевой угол.

Подставив полученные значения радиуса мениска в выведенное уравнение, получим

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. ,

но разность давлений будет уравновешиваться столбом жидкости высотой h, тогда

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. , или Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (20)

где r – плотность жидкости.

Следовательно, высота поднятия жидкости в капилляре пропорциональна ее поверхностному натяжению и смачивающей способности, и обратно пропорциональна диаметру капилляра и плотности жидкости.

В случае капиллярного течения жидкости между двумя параллельными пластинками высота подъема определяется из тех же соотношений. Если принять расстояние между пластинами равными а и малым, а ширина пластин достаточно велика, то поверхность жидкости в зазоре примет форму цилиндра, для которого

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. ,

тогда высота подъема жидкости определится:

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. .

Также как и в предыдущем случае, высота подъема h определится

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. (21)

Таким образом, высота капиллярного поднятия жидкости в зазоре между двумя параллельными пластинами в два раза меньше, чем в капилляре круглого сечения.

Поскольку в процессе пайки припои находятся в жидком состоянии, то на них можно распространить полученные уравнения. Однако при этом необходимо иметь в виду, что уравнение выведены для случая не взаимодействующих с твердым телом жидкостей. В процессе же пайки происходит активное взаимодействие в контакте расплавленный припой – основной металл; поэтому капиллярные явления, протекающие в условиях пайки более сложны, и не вполне точно описываются выведенными уравнениями.

ЛЕКЦИЯ №3

§

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.

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

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.

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

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.

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. 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

§

В атмосферных условиях металлы покрыты оксидными пленками. Первично образующаяся на металле оксидная пленка может иметь аморфную или кристаллическую структуру. Например, в случае окисления алюминия при комнатной температуре образуется аморф-ная пленка толщиной 20¸45Å, которая при нагреве становится кри-сталлической. Первичная пленка на железе меди, цинке с самого на-чала имеет кристаллическое строение. Образование аморфных или кристаллических первичных оксидных пленок зависит не только от физико-химической природы окисляемого металла, но и от условий ее образования, в основном от температуры.

При комнатной температуре в атмосфере воздуха вначале окисление металла идет быстро, но при достижении определенной толщины пленки процесс окисления практически заканчивается. Так, при окислении меди приблизительно через 2 часа толщина пленки достигает 24Å, а затем почти не изменяется. После образования первичной пленки дальнейшее окисление определяется скоростью диффузии через нее металла и кислорода. При диффузии металла зоной роста является внешняя поверхность оксидной пленки. При диффузии кислорода зоной роста является граница металл-оксидная пленка. При соизмеримых скоростях встречной диффузии металла и кислорода зона роста находится внутри оксидной пленки. Схема роста оксидной пленки в этом случае представлена на рис. 1

Рис. 1 – Схема роста оксидной пленки при соизмеримых скоростях встречной диффузии металла и кислорода

Так как оксидные пленки на металлах имеют кристаллическую структуру, обладающую ионной, а также электронной проводимостью, то при диффузии через пленку перемещаются не непосредственные атомы металла, а ионы и свободные электроны. Это не исключает возможности атомной диффузии, но поскольку радиусы ионов металлов значительно меньше атомов, то можно предположить, что основной диффузионный поток от металла будет состоять из их ионов. Кислород же проникает внутрь оксидной пленки в виде атомов, а не ионов, т.к. размер атомов кислорода в два с лишним раза меньше радиуса иона кислорода.

В процессе образования оксидных пленок закон их роста может быть различным, что в основном определяется соотношением объема оксида Vокк объему металла Vм, из которого он образовался. Например, это отношение для некоторых металлов имеет следующее значение:

Mg – 0,35 Zn – 1,57 Ni – 1,64

Sn – 1,31 Cu – 1,71 W – 3,50

Al – 1,38 Fe – 1,78

Если отношение объема оксида к объему металла меньше единицы Vок /Vме< 1, то образуются не сплошные, пористые оксидные пленки, обладающие слабыми защитными свойствами. Для таких металлов скорость роста оксидной пленки определяется линейным законом

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.= k, (1)

где y – толщина оксидной пленки;

t– время окисления;

k – константа.

После интегрирования зависимости (4.1) получим

y = kt A(2)

Линейный характер роста пленки устанавливается через некоторое время после начала окисления, когда пленка достигает критической величины. Это наблюдается на щелочных и щелочноземельных металлах, а также на таких металлах как ванадий, молибден, вольфрам, образующих оксиды, легко испаряющиеся при нагреве.

Металлы, для которых Vок/Vме< 1, при окислении образуют сплошной слой оксидной пленки. Для них характерен рост пленки по параболическому закону

y2 = kt A(3)

Для некоторых металлов рост пленки можно описать зависимостью

yn = kt A (4)

(Частный случай – кубическая парабола при n = 3)

Иногда наблюдается логарифмическая зависимость роста оксидной пленки.

y = ln(kt)(5)

Скорость роста оксидной пленки в процессе окисления зависит от температуры. С повышением температуры скорость увеличивается в соответствии с зависимостью

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов. = АеQ/RT,(6)

где Q – энергия активации процесса;

R – газовая постоянная;

T – абсолютная температура.

Следует отметить, что рассмотренные закономерности роста оксидной пленки соблюдается лишь для чистых металлов. Наличие даже следов примесей может сильно изменить свойства поверхности металла и характер реакций его с кислородом.

Образующиеся на металлах в результате окисления пленки делятся на тонкие, средние и толстые. Тонкими принято считать невидимые пленки от мономолекулярных до 400Å, средними от 400 до 5000Å и толстыми – выше 5000Å (0,5 мкм). В процессе пайки металлов большое значение имеют не только толщины, но и свойства оксидных пленок. Плотные, прочно связанные с металлом оксидные пленки труднее удалить с поверхности металла, что осложняет процесс пайки. Чем менее компактна оксидная пленка, чем слабее ее связь с металлом и, чем менее устойчива она при нагреве, тем меньше затруднений возникает в процессе удаления ее при пайке.

При окислении железа кислородом возможно образование разных соединений в соответствии с диаграммой состояния железо-кислород. Оксидная пленка на железе обычно имеет четко выраженный слоистый характер. На границе с металлом образуется монооксид железа FeO, соответствующая наименьшему содержанию кислорода в оксиде, затем следует промежуточный слой монооксида-оксида железа Fe3O4 и на внешней поверхности пленки – высший оксид Fe2O3. Предполагается, что поверхностный слой металла, находящийся под оксидной пленкой, содержит некоторое количество кислорода в виде твердого раствора с металлом.

Прилегающий к металлу слой монооксида железа FeO (вюстит) имеет кубическую кристаллическую решетку по типу каменной соли. FeO устойчив только при температурах выше 570 0С. При более низких температурах он не образуется, а при медленном охлаждении распадается с выделением металла по реакции:

4FeO Þ Fe Fe3O4

При температуре 1377 0С монооксид железа плавится.

Монооксид-оксид железа Fe3O4 (магнетит) имеет кристалличесую кубическую решетку. Магнетит кристаллографически является самостоятельной фазой, а не молекулярной смесью монооксида и оксида железа. Он устойчив при всех температурах, начиная от комнатной и до точки плавления железа. При нагреве в окислительной среде магнетит переходит в оксид железа a-Fe2O3. Этот переход совершается в две стадии. При нагреве до температуры 220 0С образуется промежуточная структура оксида g- Fe2O3 с сохранением кубической шпинельной решетки. Двухвалентное железо при этом превращается в трехвалентное:

2 Fe3O4 ½O2 Þ 3 Fe2O3

При дальнейшем нагреве до 400-500 0С оксид теряет магнитные свойства и образуется решетка оксида железа a- Fe2O3.

Рис. 2 – Микроструктура оксидной пленки на железе (схема)

Оксид железа Fe2O3 (гематит) имеет ромбоэдрическую структуру. Гематит устойчив в широком интервале температур, но при нагреве выше 1100 0С частично разлагается. При температуре плавления железа гематит полностью диссоциирует на железо и кислород.

При окислении меди образуются три вида оксидов – монооксид меди Cu2O, оксид меди CuO и полуторный оксид меди Cu2O3. Имеются также предположения об образовании в интервале 950-1050 0С соединения типа недооксида Cu4O. Окисление меди начинается с адсорбции газа на ее поверхности. При комнатной температуре на воздухе происходит образование оксида меди, кристаллизующегося в кубической решетке. Кристаллическая решетка оксида меди ориентирована так, что ребра и грани кубической решетки Cu2O лежат параллельно и граням кубической решетки меди.

Нагрев меди выше 250 0С вызывает более интенсивное окисление, при этом пленка состоит из смеси оксида и монооксида меди. Рост пленки происходит по диффузионному механизму; предполагают, что при повышенных температурах через пленку диффундируют ионы меди, имеющие малый размер. При 300 0С и выдержке 5÷10 мин в атмосфере воздуха медь покрывается цветами побежалости.

Наряду с монооксидом меди при окислении также образуется полуторный оксид меди, который, как и монооксид, имеет красный цвет. Кристаллическая решетка его соответствует решетке монооксида меди и отличается от последней только удельной проводимостью. Полуторный оксид меди неустойчив, он начинает разлагаться при 750С. При 400 0С разложение происходит по уравнению

Cu2O3 Þ 2 CuO ½O2

В интервале 400 – 500 0С и выдержке 5¸15 мин окисная пленка на меди двухслойная. К металлу примыкает монооксид меди, верхний более тонкий слой состоит из оксида меди, имеющий почти черный цвет. Оксидная пленка в интервале 600 – 800 0С имеет мелкокристаллическую структуру и плохую связь с металлом. Выше 800 0С образовавшийся оксид меди разлагается по уравнению

4 CuO Þ 2 Cu2O O2

В интервале 800 – 950 0С пленка состоит только из монооксида меди. Этот интервал характерен несколько более прочной связью пленки с основным металлом. При 950¸1050 0С оксидная пленка приобретает ярко малиновый цвет, что связано, по-видимому, с образованием соединения Cu4O. Оксидная пленка в этом интервале имеет крупнокристаллическую структуру и наиболее прочно держится на металле.

Алюминий при взаимодействии с кислородом при комнатной температуре окисляется с образованием первичной оксидной пленки толщиной 40¸100 мкм. Дальнейшее окисление алюминия тормозится, т.к. образовавшаяся пленка надежно изолирует металл от кислорода. Для оксида алюминия известны модификации a, b, g и др. Наряду с оксидом алюминия известны оксиды состава Al2O – недооксид алю-миния и AlO – субоксид алюминия, существующие при высоких температурах. Первоначально образующийся на поверхности алюми-ния оксидный слой в атмосферных условиях представляет собой аморфное образование. Умеренное нагревание этого слоя до темпе-ратуры выше 200 0С приводит к возникновению модификации gAl2O3. В результате взаимодействия с влагой воздуха в оксидной пленке на поверхности алюминия могут образовываться гидрооксиды.

Применяемые в качестве припоев металлы и сплавы также имеют на своей поверхности оксидную пленку. Нагрев под пайку при недостаточной защите может вызывать дальнейшее окисление припоя. Наличие на поверхности припоя в процессе пайки оксидной пленки приводит к ухудшению условий пайки и свойств паяных соединений. Поэтому для получения качественных паяных соединений необходима очистка припоя перед пайкой и надежные условия удаления оксидов в процессе пайки.

В зависимости от состава припои имеют различную окисляемость. Наибольшей стойкостью при высоких температурах отличаются припои на основе никеля.

При легировании основы паяемого металла или припоя легирующие элементы по-разному могут влиять на образование оксидной пленки. Скорость окисления металла может или уменьшаться или увеличиваться. Если легирующие элементы обладают меньшим сродством к кислороду по сравнению с основным металлом, то они обычно остаются под оксидной пленкой в неокисленном состоянии.

На основе анализа состава и строения оксидных пленок можно видеть, что даже при самых благоприятных условиях окисления чистых металлов и сплавов в атмосфере воздуха образующиеся пленки имеют толщину более 20Å. Силы взаимодействия атомов металлов между собой практически исчезают на расстояниях более 10 ангстрем, поэтому обеспечить взаимодействие паяемого металла и расплавленного припоя при наличии на их поверхности оксидных пленок невозможно. Следовательно, металлы необходимо тщательно очищать от оксидных пленок и загрязнений, для чего перед пайкой надо производить механическую зачистку или травление их поверхности в растворах щелочей или кислот. Однако за время между очисткой и пайкой на поверхности металлов вновь образуется тонкая оксидная пленка. Поэтому непосредственно в процессе пайки необходимо удалять оксидную пленку не только с паяемого металла, но и с расплавленного припоя, что достигается применением при пайке флюсов, искусственных газовых сред, вакуума, а также физико-механическими способами разрушения оксидной пленки.

ЛЕКЦИЯ №5

§

При всех рассмотренных способах пайки нагрев основного метал­ла и расплавление припоя нужно производить в условиях, способству­ющих удалению с их поверхности оксидной пленки и защите от дальней­шего окисления под действием кислорода воздуха. С этой целью при пайке применяют флюсы, газовые среды, а также физико-механические способы разрушения оксидной пленки и самофлюсующиеся припои. Классифи­кация способов удаления оксидной пленки приведена на рис. 1.

Флюсовая пайка является наиболее древним, наиболее простым и доступным процессом. Флюсом называют вещество, применяемое в про­цессе пайки для удаления оксидной пленки с поверхности металлов и защиты их от окисления. Паяльные флюсы по составу делятся на пять групп:

1) Флюсы на основе соединений бора; их применяют при пайке всех черных и многих цветных металлов.

2) Оксидные флюсы типа сварочных; их применяют при высокотемпера­турной пайке черных металлов. Преимуществом их является высокая коррозионная стойкость паяных соединений.

3) Флюсы на основе фторидов; их применяют при пайке тех метал­лов и сплавов, для которых боратные флюсы недостаточно активны и не обеспечивают удаление оксидной пленки в процессе пайки.

4) Флюсы на основе хлоридов. Они более легкоплавки; их применяют в основном при пайке алюминиевых и магниевых сплавов. ­

Исторический обзор развития и место пайки в современной технике. Возможности и преимущества пайки перед другими способами соединения металлов.

Рис. 1 – Способы удаления оксидной пленки

Флюсы на основе водных растворов хлористого цинка обладают вы­сокой химической активностью и применяются для низкотемператур­ной пайки сталей, никеля, медных сплавов.

5) Флюсы на основе канифоли и др. органических соединений применяют только для низкотемпературном пайки меди и некоторых спла­вов на ее основе.

Флюсы наносят на паяемую деталь и припой в порошкообразном, жидком состоянии или в виде паст. Расплавленный флюс при пайке растекается по паяемой поверхности и припою, смачивает их и, всту­пая с ними во взаимодействие, удаляет оксидную пленку.

Газовые среды, применяемые при пайке, делят на нейтральные, активные и вакуум.

Нейтральной называется газовая среда, которая защищает паяемый металл от окисления в процессе пайки. Наиболее типичными представителями нейтральных газовых сред являются инертные газы.

Активной средой называется газовая атмосфера, применяемая для удаления оксидной пленки с паяемого металла, припоя и для защиты их от окисления в процессе пайки. В качестве активных составля­ющих таких сред применяют водород и монооксид углерода.

Среды, состав которых контролируют и поддерживают постоянными в процессе пайки, называют контролируемыми газовыми атмосферами.

Вакуум применяют при пайке для предупреждения окисления пая­емого металла и припоя, а также для удаления с поверхности неко­торых металлов оксидных пленок. Вакуум создается в пространстве печи или контейнере, в которых производится пайка.

§

Физико-механические способы удаления оксидных пленок в процессе пайки имеют две разновидности. Разрушение пленок может про­изводиться механическим воздействием и ультразвуком под слоем на­несенного на основной металл расплавленного припоя.

Наряду с флюсами и газовыми средами для удаления оксидной плен­ки в процессе пайки используют самофлюсующие припои. Самофлюсую­щими называют припои, содержащие компоненты, активно реагирующие с оксидной пленкой паяемого металла и припоя с образованием легко­плавких шлаков, которые, растекаясь по поверхности основного ме­талла и припоя, предохраняют их от окисления. В самофлюсующих при­поях высокой активностью обладают не только сами самофлюсующие компоненты, но и их оксиды. По составу и характеру действия при­меняемые самофлюсующие припои можно разделить на четыре группы: припои со щелочными металлами, с бором, с фосфором и с несколькими компонентами.

Эти активные компоненты самофлюсующих припоев можно вводить порознь или в сочетании с другими. Литий и другие щелочные ме­таллы вводят обычно в состав серебряных припоев. Фосфор вводят в медные и медносеребряные припои, которые применяют­ся только для пайки меди и ее сплавов, т.к. со сталью и др. метал­лами они образуют хрупкие соединения.

Бор вводят в жаропрочные припои, а вместе с литием – в припои для пайки в сухой газовой атмосфере.

Кремний вводят в припои на основе никеля, меди, серебра, золота. Бор, кремний и фосфор вводят в виде лигатуры, литий и другие щелочные металлы подают непосредственно в расплав припоя в кон­це плавки.

§

Кроме возможности удаления оксидных пленок с помощью флюсов и газовых сред в процессе пайки некоторых металлов и сплавов при­меняют механическое разрушение оксидной пленки. Так при низкотем­пературной пайке алюминия для этой цели применяют абразивные паяль­ники. Сущность этого способа состоит в том, что оксидная пленка с паяемого металла удаляется с помощью абразивного стержня или кру­га, спрессованного из смеси порошкообразного припоя и измельчен­ного асбеста (до 10%). При этом способе используют припои с тем­пературой плавления от 75 до 450 °С.

При абразивно-кристаллической пайке удаление оксидной пленки произво­дится твердыми кристаллами припоя, как абразивными частицами, жидкая фаза служит припоем. Поэтому в данном случае применяют при­пои с широким интервалом кристаллизации.

Оксидная пленка удаляется в процессе относительного перемеще­ния паяемого изделия и припоя. Для этого или паяемую деталь переме­щают вдоль неподвижной ванны с припоем или делают подвижную ванну. Неподвижные ванны целесообразно применять в том случае, когда можно обеспечить непрерывную подачу паяемого металла,

на­пример, при лужении фольги и проволоки. Схема лужения в неподвиж­ной ванне выглядит следующим образом (Рис. 2).

1 — электропечь с ванной; 2 — расплав припоя;

3 — катушки с облуживаемой фольгой или проволокой

Рис. 2 – Схема лужения в неподвижной ванне

В качестве припоев при абразивно-кристаллической пайке при­меняют сплавы олово-цинк, кадмий-цинк, алюминий-цинк, кадмий-оло­во. При применении этого способа пайки в припое должно быть опреде­ленное соотношение между жидкой и твердой фазами. Если будет из­быток жидкой фазы, то процесс удаления оксидной пленки с поверх­ности изделия замедлится, и время лужения увеличится. При избытке твердой фазы паяемое изделие в процессе лужения может быть дефор­мировано.

Способ абразивно-кристаллической пайки применяют для безфлюсового лужения алюминия и его сплавов низкотемпературными припоя­ми.

§

Для разрушения оксидных пленок в процессе пайки применяют также ультразвуковые колебания. Для получения ультразвуковых коле­баний электрический ток низкой частоты преобразуется в специаль­ном генераторе в ток ультразвуковой частоты и подается на излуча­тель, являющийся источником ультразвуковых колебаний. В качестве таких источников используют магнитострикционные и электрострикционные (пьезоэлектрические) излучатели.

В магнитострикционных излучателях ультразвуковые колебания воз­никают в результате способности некоторых металлов и сплавов изменять свои размеры под воздействием магнитного поля. Такими свойствами обладают никель, кобальт, сплавы никеля с железом и медью, кобальта с железом, железа с платиной и др. Их и исполь­зуют для магнитострикционных излучателей, дающих колебания с частотами 500-150000 Гц.

В электрострикционных излучателях колебания возникают в результате способности некоторых веществ изменять свои размеры под действием электрического поля. В качестве электрострикционных излучателей применяют кристаллы таких веществ как кварц, сегнетова соль, титанат бария, фосфат аммония или калия и др. Электрострикционные излучатели дают колебания частотой от 1000000 Гц и выше.

В пайке для получения ультразвуковых колебаний применяют пре­имущественно магнитострикционные излучатели, т.к. они позволяют работать при сравнительно высоких температурах. Например, излучатели из железо-кобальтового сплава позволяют работать до Т = 400 °С.

Применение ультразвука для пайки основано на свойстве упру­гих механических колебаний ультразвуковой частоты при прохождении через жидкости вызвать в них явление кавитации.

Под действием ультразвуковых колебаний, излучаемых магнито-стриктором, в жидкости образуются продольные волны, вызывающие попеременно то сжатие ее, то расширение. При расширении, если гид­ростатическое давление упадет до упругости пара или ниже, жид­кость окажется растянутой и в ней образуются разрывы или кавитационные пузырьки. Под действием давления при изменении фазы коле­бания, а так же сил поверхностного натяжения разрывы захлопыва­ются. В момент захлопывания пузырьков местные давления в жид­кости достигают сотен атмосфер, что вызывает образование сильных ударных волн. Под действием этих волн происходит разрушение твер­дых тел. Разрушение происходит тем интенсивней, чем плотнее жид­кость.

При пайке в качестве кавитирующей жидкости применяют расплавы припоев. Интенсивность кавитации возрастает с уменьшением частоты колебаний, но продолжительное воздействие механических колебаний низких частот вредно для человеческого организма, поэтому для пай­ки применяют колебания с частотой 16-25 кГц. В настоящее время при пайке применяют два способа передачи ультразвуковых колебаний.

1. С помощью ультразвуковых паяльников, которые создают ультра­звуковые колебания в расплаве припоя, нанесенного на основной металл. Рис. 3.

2. С помощью ультразвуковых ванн, в которых ультразвуковые ко­лебания передаются расплаву припоя через стенки сосуда при облуживании способом погружения.

Рис. 3 – Схема устройства и работы ультразвукового паяльника

Магнитострикционный излучатель 2, помещенный внутри катушки обмот­ки возбуждения 3, соединен с высокочастотным генератором 4. Под действием переменного электромагнитного поля, создаваемого генератором, в излучателе генерируются продольные колебания ультра­звуковой частоты, которые передаются рабочей части паяльника 1. От рабочей части паяльника колебания передаются расплавленному припою 7, вызывая в нем образование кавитационных пузырьков. Нагрев рабочей части паяльника осуществляется обмоткой 6, по кото­рой пропускается ток низкого напряжения. Разрушение оксидной плен­ки при помощи ультразвукового паяльника происходит очень быстро, приблизительно в течение 1/20 сек, но в очень узкой зоне, непосред­ственно расположенной под рабочей частью паяльника. Для облуживания паяльником большой площади необходимо ее обрабатывать пос­тепенно. Паяльник необходимо перемещать в припое, не касаясь им обслуживаемой поверхности, т.к. кавитация происходит только в жидкой среде. Отсутствие возможности визуально наблюдать процесс лужения при­водит к тому, что оксидная пленка не всегда полностью удаляется, в результате чего слой полуды иногда отстает.

Основное преимущество пайки с применением ультразвука – воз-можность облуживания металлов, а также неметаллических материа­лов, соединение которых вызывает большие затруднения – алюминие­вые сплавы. Для меди и стали применение ультразвука нецелесообразно, т.к. имеются другие более простые и эффективные способы. Для магния, бериллия, титана, и сплавов на их основе этот способ удаления оксидной пленки не эффективен, то же относится и к нер­жавеющим сталям, нихромам и алюминиевым сплавам с высоким содер­жанием магния.

§

Флюсы, применяемые при пайке, имеют особую специфику, отличающую их от флюсов, применяемых при плавке и сварке. Особенности эти состоят в том, что паяльный флюс последовательно работает на твердой поверхности основного металла одного состава, а за­тем на жидкой поверхности расплавленного припоя другого состава. Таким образом, паяльный флюс должен обладать флюсующими свойства­ми как по отношению к основному металлу, так и припою, которые имеют различный химический состав и свойства. Это может достигаться или подбором флюсующих веществ, активных к оксидной пленке основ­ного металла и припоя, или введением нескольких флюсующих веществ.

Флюс должен взаимодействовать с оксидной пленкой на поверхности основного металла и припоя и в жидком состоянии смачивать их. При этом флюс заполняет имеющиеся микропоры и микротрещины в пленке, что обеспечивает хороший контакт с оксидами и развитие реакций во всем объеме пленки.

Поскольку на подготовленных к пайке поверхностях деталей толщина оксидной пленки обычно составляет несколько микрон, то раз­витие реакций происходит в узком слое, на границе расплава флю­са с основным металлом. Если учесть, что при капиллярной пайке флюс заполняет зазоры в 0,1-0,2 мм, то реакция флюсования проте­кает в микрообъемах. В этих условиях исключительно большое зна­чение имеет равномерность нагрева соединяемых поверхностей до необходимой температуры, чистота соединяемых поверхностей, а так­же высокое качество флюса. При недогреве отдельных мест отсутст­вует взаимодействие между основным металлом и флюсом, и следовательно, на этих участках сохраняется оксидная пленка, что вызывает непропай.

Для обеспечения качественной пайки в расплавленном флюсе не должны содержаться твердые частицы, а также они не должны обра­зовываться в процессе флюсования, т.к. будут препятствовать за­теканию флюса в зазор и вытеснению его из зазора, припоем. В про­цессе перехода оксидной пленки в расплав флюса он должен сохра­нять свою жидкотекучесть и легко вытесняться расплавленным припо­ем. Поэтому адгезия расплавленного флюса к основному металлу должна быть меньше, чем расплавленного припоя, что достигается соответствующей композицией флюса.

После смачивания основного металла флюсом и удаления с него оксидной пленки образуется активная межфазная граница твердый металл – жидкий флюс, которая затем замещается расплавленным при­поем в условиях, практически исключающих возможность взаимодей­ствия с атмосферой воздуха, что обеспечивает высокое качество спая.

ЛЕКЦИЯ №6

Принципы выбора паяльных устройств

Современное оборудование для пайки предназначено для выполнения качественного соединения элементов. И для того чтобы оно могло наиболее эффективно справляться с этой задачей, при его выборе необходимо обращать внимание на следующие конструктивные и технические особенности:

  • Тип нагревательного элемента. На сегодняшний день в магазинах можно приобрести два вида паяльных устройств в зависимости от используемого в них типа нагревателя — керамические и нихромовые. Керамическим нагревателям требуется минимум времени для нагрева, однако, они отличаются неустойчивостью к неравномерному прогреву и могут треснуть. Однако если паяльное оборудование оснащено системой термостабилизации, то такие нагреватели могут демонстрировать хорошую теплоотдачу, высокую мощность и долговечность. По сравнению с ними нагреватели из нихрома не обладают столь длительным сроком службы, поэтому выбирать их следует, если прибором для пайки планируется пользоваться нечасто. Главное достоинство нагревателей из нихрома — более низкая цена по сравнению с керамическими.
  • Диапазон регулируемых температурных режимов.
  • Скорость разогрева.
  • Мощность. Для обеспечения качественной работы паяльного оборудования необходимо учитывать цели его использования. Если говорить конкретнее, то нужно учитывать тип пайки, который нужно выполнить, а также компоненты, с которыми предстоит работать. Исходя из этого, становится понятно, что именно на мощность нужно обращать в первую очередь внимание при выборе станции. Особенно об этом следует помнить тем покупателям, которые выбирают оборудование для ремонта чувствительных видов аппаратуры — навигаторов, планшетов и пр.
  • Напряжение.
  • Эргономические параметры — форма, размеры и вес.

А также не следует оставлять без внимания и объективные факторы, которые смогут помочь в выборе подходящего устройства для пайки:

  • Если исходить из действующих в мире стандартов, то все работы, связанные с изготовлением и ремонтом электроники, должны проводиться с использованием метода бессвинцовой пайки. Поэтому в выбираемом оборудовании максимальный температурный режим не должен превышать отметку 250 градусов Цельсия.
  • Расположение микросхем в корпусе типа BGA. На первый взгляд может показаться, что в этом есть определенный смысл, ведь так можно уменьшить габариты изделия. Но в то же время возникает и негативный момент — пайка становится более трудоемкой операцией из-за труднодоступности компонентов.
Читайте также:  Система MBR ELECTRONICS USS-9210 / 9510 | SMT оборудование
Оцените статью
Про пайку
Добавить комментарий