ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Металловедение бездиффузионного спая из "Металловедение пайки " Металлы в твердом состоянии представляют собой множество кристаллов, разделенных межзеренными границами. Большинство металлов кристаллизуется в наиболее плотных структурах — кубической гранецентрированной, гексагональной и реже кубической объемноцентрирован-ной решетках. В поликристаллических телах процесс образования и роста кристаллов в общей массе металла приводит к искажению пространственной решетки кристалла. Частицами, составляющими решетку кристалла, служат положительные ионы, образовавшиеся в результате отщепления от атомов валентных электронов. Последние образуют газ электронов, связывающих между собой положительные ионы. [c.107] Одной из важнейших энергетических характеристик металлов в твердом состоянии является энергия кристаллической решетки. Всякий кристалл обладает внутренней и поверхностной энергией. Внутренняя энергия измеряется работой, которую нужно совершить, чтобы удалить ионы кристалла на расстояния, при которых прекращается взаимодействие между ними. Эта энергия пропорциональна объему кристалла. Поверхностная энергия кристалла определяется условиями равновесия его частиц, находящихся внутри вещества и на поверхности. Поскольку на поверхности кристалла частицы его с внутренней стороны взаимодействуют с собственным веществом, а с внешней — с граничной средой, то для создания условий равновесия частицы у поверхности кристалла располагаются иначе, чем внутри. В результате образуется поверхностный слой кристалла с особыми свойствами. [c.108] СЛОЯ кристалла составляет 1—10 А. Работа перемещения внутренней частицы кристалла на поверхность превращается в потенциальную энергию частицы. Следовательно, поверхностные атомы кристалла обладают большей потенциальной энергией, чем внутрилежащие, и на поверхности сосредоточивается избыток энергии, что при определенных условиях приводит к образованию межатомных связей между металлом и граничной средой. [c.109] Металлическая связь отлична от других видов связи частиц в кристаллах. Природа ее обусловлена взаимодействием ионов с электронами, переходящими от одного иона к другому. Последнее сближает металлическую связь с ковалентной, однако в отличие от нее металлическая связь не обладает ни направленностью, ни насыщенностью, определяемой валентностью соответствующих атомов, что сближает ее с ионной связью. Степень связанности электрона в металле в определенной степени характеризуется работой выхода электрона, измеряемой наименьшей энергией электромагнитных колебаний, способной выделить электрон, или температурой, при которой начинается термоэлектронная эмиссия. Экспериментально найденные значения работы выхода электрона для некоторых металлов приведены в табл. 17. [c.110] Приведенные значения работы выхода характеризуют энергию связи электрона с атомом на поверхности металла, которая не равна энергии связи внутри металла и примерно на 2—5 В меньше потенциала ионизации. [c.110] Первый член выражения представляет потенциальную энергию свободных электронов, второй — их кинетическую энергию, третий член — кинетическую энергию электронов, занимающих более низкие энергетические состояния. Сумма этих трех составляющих дает результирующую кривую распределения энергии в зависимости от атомного объема (рис. 48). Минимум энергии межатомного взаимодействия соответствует линейному размеру Го, который можно рассматривать как атомный радиус, соответствующий равенству 4/3 лг = Й. [c.111] Характер валентной связи, удерживающей металлический атом в кристаллической решетке, варьирует от вещества к веществу, проходя подчас все стадии от ионной до металлической. Поэтому природа сил, образующих связи в контакте основной металл — расплавленный припой, в зависимости от сочетания их свойств может изменяться в широких пределах. [c.111] Если в таких условиях ограничивать продолжительность взаимодействия твердого основного металла и расплава припоя, то можно получить спаи, в которых число прореагировавших атомов металлов будет самым различным и, следовательно, образуется целая гамма спаев от полного неспая и до 100%-ного взаимодействия атомов, находящихся на поверхности контактирующих твердого и жидкого металлов. [c.112] Если при этом в качестве дополнительного будет поставлено требование не допустить растворно-диффузионного взаимодействия между твердым и жидким металлами, то будут получены спаи с исчезающе малой зоной взаимодействия, названные бездиффузионными. [c.112] Связь в контакте основной металл — припой и ее прочность определяются свободной энергией атомов на поверхности взаимодействующих веществ, зависящей от степени разориентированности кристаллов основного металла и характера энергии связи. [c.112] Во всех случаях прочность бездиффузионного спая будет тем больше, чем выше ювенильность поверхности основного металла и чем более чиста окружающая среда от других, кроме расплава припоя, веществ. [c.112] Следует иметь в виду, что бездиффузионный спай является определенной стадией развития процесса взаимодействия на межфазной границе между разнородными твердым и жидким металлами, когда растворно-диффузионные процессы между ними не получили сколько-нибудь значительного развития. Увеличение выдержки при температуре пайки приведет к превращению этого вида спая в другие. [c.114] Металлографические, рентгеноспектральные и рентгеноструктурные исследования спаев позволили экспериментально подтвердить возможность бездиффузионных спаев и установить их свойства. [c.114] В начальный период взаимодействия между основным металлом и припоем в плоскости контакта между ними связи возникают лишь в отдельных точках. Прочность таких точечных спаев незначительна и разрушение их происходит без значительных усилий. После разрушения на поверхности основного металла обычно не остается следов припоя. С увеличением продолжительности взаимодействия твердого и жидкого металлов при температуре пайки число образующихся связей увеличивается и прочность их возрастает. При металлографическом исследовании таких спаев можно видеть, что непрерывной связи в зоне контакта основного металла и припоя нет. [c.114] На рис. 49, а приведена микроструктура бездиффузи-онного спая, полученного при напылении никеля на железо. Для сравнения приведена микроструктура шва при пайке железа никелем с обычными выдержками (рис. 49, б). Плазменное напыление производилось независимой дуговой плазмой, расстояние между срезом сопла и поверхностью основного металла выбирали таким, чтобы частицы падали в расплавленном состоянии, но без существенного перегрева. Как показывает микроструктура, между железом и никелем в случае бездиф-фузионного спая имеется резкая граница раздела, а в отдельных местах отсутствует спай, т. е. соединение имеется лишь в отдельных точках. [c.114] Как можно видеть из рис. 49, в, концентрация никеля и олова при переходе от основного металла к зоне шва резко падает со 100% до нуля. [c.115] Рентгеноструктурные исследования бездиффузионных спаев показали, что при определенных условиях взаимодействующие однокомпонентные основной металл и припой не содержат в своем составе второго металла. В табл. 18 приведены данные по изменению периода решетки железа и олова в зоне спаев, полученных при пайке железа оловом при температуре 500° С с различной выдержкой [3]. [c.115] Как видно из таблицы, при выдержке до 30 с диффузия олова в железо не происходит. Диффузия железа в расплав олова не наблюдается при пайке без выдержки. Если снижать температуру пайки, то отсутствие растворения (диффузия железа в расплав олова) наблюдается и при более длительной выдержке в процессе пайки. [c.116] Вернуться к основной статье