Развитие процессов диффузии, растворения и испарения в процессе пайки

Диффузиейназывается процесс перемещения частиц вещества в направлении меньшей его концентрации. В результате диффузии происходит выравнивание состава вещества и равномерное заполнение ним всего объема.

Процессы диффузии протекают в газообразных, жидких и твердых веществах; диффундировать могут как однородные вещества, так и атомы разнородных веществ в границах своего объема.

Работы по изучению процессов диффузии в металлах направленны на опредепение того, с какой скоростью и каким образом атомы вещества перемещаются в кристаллической решетке. Рассматривают два вида диффузии – самодиффузию и гетеродифузию, или химическую диффузию.

Самодиффузией называется тепловое перемешивание атомов в чистых металлах или металла - растворителя в твердых растворах; этот процесс проходит при отсутствии градиента концентрации вещества, то есть самодиффузия проходит при постоянной концентрации веществ в телах и обуславливает перемешивания атомов в них.

Гетеродиффузиею, или химической диффузией, называется перемещение в веществе чужеродных растворенных атомов при наличии градиента концентрации вещества. Если гетеродиффузия сопровождается образованием в диффузной зоне новых фаз, она называется реакционной.

В твердых металлах диффузия может проходить по поверхности, на границе зерен и в объеме отдельных зерен. Диффузия по поверхности имеет большое значение в процессах пайки. От интенсивности диффузии расплавленного припоя по поверхности паяемого металла зависит возможность его смачивать паяемий металл. Этот вид диффузии проходит не только на внешней поверхности паяемого металла, но и на внутренних поверхностях дефектов (раковин, пор, рыхлот).

Рассматривая процессы диффузии на границе зерен, надо иметь в виду, что одновременно с ней протекает диффузия в объем зерен. Только при достаточно низких температурах диффузию на границе зерен и в объем зерна можно считать такими, что проходят независимо друг от друга.

Диффузия по границам зерен зависит от состояния границ и от размера зерен металла. Увеличение размера зерна приводит к уменьшению коэффициента диффузии. Такая зависимость связана с тем, что атомы на границе зерна имеют повышенную концентрацию вакансий. Повышение интенсивности диффузии при уменьшении размера зерна металла возникает в результате большей подвижности границы зерен в мелкозернистом металле, чем в крупнозернистом. Диффузные процессы, которые проходят при формировании паяного соединения, условно можно разделить на четырех стадии.

Первая стадия — диффузия в твердой фазе, которая предшествует образованию в шве жидкой фазы.

Вторая стадия — диффузия в расплаве припоя от момента его плавления до насыщения компонентами паяемого металла и образования жидкой фазы равновесного состава, который отвечает пересечению изотермы температуры пайки с линией ликвидус диаграммы состояния взаимодействующих металлов.

На третьей стадии проходят диффузные процессе в шве с момента установления равновесного состава расплава в шве.

Четвертая стадия диффузии протекает в твердом металле в процессе термообработки паяного соединения или охлаждения после пайки.

Процессы диффузии описываются уравнениями Фика. Первое уравнение Фика показывает, что в изотопной среде количество вещества m, диффундирующего за единицу времени через единичную площадь поперечного сечения, пропорциональна градиенту концентрации, измеряемому по нормали к этому сечению:

В этом уравнении: D — коэффициент диффузии (см/с²); с — концентрация диффундирующего вещества, (моль); х — координата (см).

Первое уравнение Фика характеризует стационарный поток вещества, оно верно, если градиент концентрации мал и изменение его проходит только в направления потока диффундирующего вещества.

Второе уравнение Фика описывает нестационарное движение вещества, когда концентрация диффундирующего компонента в ограниченном объеме изменяется во времени. Для расчетов используют зависимость, выведенную из второго уравнения Фика:

,

где С_Х ‑ концентрация диффундирующего элемента на глубине Х от источника диффузии; С_О ‑ начальная концентрация диффундирующего элемента.

Выражение означает интеграл функции ошибок Гаусса и определяется по таблицам, если известны значения величин в скобках. Для всех возможных механизмов миграции атомов в кристаллической решетке вероятность выхода атома из состояния равновесия определяется формулой:

,

где D _О – произведение констант, которое определяется типом кристаллической решетки; θ ‑ работа активации диффузии, отнесенная к молю твердого раствора (кдж/кмоль); R_O ‑ универсальная газовая постоянная; R_O = 8,3143 кдж/кмоль; Т ‑ абсолютная температура, ⁰К.

Коэффициент диффузии определяет кинетику процесса диффузии и равен массе вещества в молях, диффундирующего за 1 с через площадку в 1 см² при градиенте концентрации dc/dx. Коэффициент диффузии показывает скорость, с которой система выравнивает концентрацию, и определяет плотность потока, который выравнивает концентрацию в системе при единичном градиенте концентрации. При малых значениях коэффициента диффузии диффундирующий элемент концентрируется в тонком слое возле источника диффузии. Большие значения коэффициента диффузии означают, что вещество углубляется в толщу растворителя.

Исследования показывают зависимость коэффициента диффузии от следующих факторов: природы диффундирующего металла; влияния типа твердого раствора; состава твердого раствора; размера зерен металла твердого раствора. Формирование слоя твердого раствора или интерметаллидного соединения на поверхности паяемого металла вследствие его взаимодействия с расплавом припоя — нежелательное явление, так как такой слой бывает хрупким и вызывает снижение прочности паяных соединений.

Свойства паяных соединений можно изменять, интенсифицируя диффузионные процессы при повышении температуры пайки. Процессы диффузии лежат в основе способа диффузного пайки. Этот способ обеспечивает равновесную структуру паяного шва, повышение температуры его распаивания, повышение прочности, коррозионной стойкости, пластичности и электрической проводимости, позволяет обеспечить удаление возможных образований малопластичной и хрупкой литой структуры и интерметаллидных прослоек.