Анализ типовых диаграмм состояния взаимодействующих материалов

 

Диаграммы состояния с отсутствием и слабым взаимодействием между элементами. При отсутствии между элементами А и В химической связи они не образуют между собой сплавов ни в твёрдом, ни в жидком состоянии (рис. 2).

       
 
   
 

 

Рис. 2. Типовые диаграммы состояния с отсутствием и слабым взаимодействием между компонентами.

Рассмотрим взаимодействие припоя с паяемым металлом, которое описывается диаграммой состояния с неограниченной растворимостью в жидком состоянии и с ограниченной растворимостью в твёрдом состоянии.

       
   
 

Рис. 3. Диаграммы состояния компонентов, образующих монотектику.

 

При образовании между паяемым металлом А и припоем В диаграммы состояния с монотектикой степень их физико-химического взаимодействия ещё весьма невелика и взаимодействие между паяемым металлом и припоем может быть слабым (рис.3).

Состав шва будет определяться в основном величиной растворимости Сж паяемого металла в жидком припое при температуре пайки. При таком их взаимодействии механические свойства паяного шва определяются свойствами припоя и его сцеплением с паяемым металлом по контактной границе.

Диаграммы состояния с образованием между компонентами эвтектик. В практике пайки часто основной металл и припой взаимодействуют с образованием эвтектик при наличии или отсутствии области растворимости в твердом состоянии (рис. 4).

 

 

Рис.4. Типовая диаграмма состояния с образованием эвтектики.

 

Как пример рассмотрим взаимодействие в системе Zп - Cd (рис.5).

При достижении температуры пайки Тп (припоем служит чистый Cd) или Тп2 ( припоем может служить сплав, например, соответствующий точке е) взаимодействие между жидким припоем В и твердым паяемым металлом А будет определяться линиями ликвидус и солидус и температурой пайки.

При температуре Тп состав жидкой части шва будет определяться точкой 1, а состав паяемого металла на границе с зоной сплавления - точкой 2.

Соответственно при температуре Тп2 состав жидкой части шва определяется точкой 3, а состав сплава на границе диффузионной зоны с зоной сплавления - точкой 4 ( если припой – евтектика Zп - Cd) .

 

 

Рис. 5. К описанию взаимодействия в системе Zп – Cd.

 

Если паяемым металлом является компонент В (например при Тп2), а припоем сплав состава, соответствующего точке е , т.е. эвтектика Zп - Cd , то для рассмотрения их взаимодействия следует обратиться к соответствующему углу диаграммы состояния. Концы коноды 6 и 5 укажут составы фаз, находящихся в равновесии при Тп2.

Если паяемым металлом является компонент А (Zп), то при охлаждении паяного соединения от температуры Тп в шве начинает кристаллизоваться жидкий сплав состава, который соответствует точке 1. Из него выделяются кристаллы твердого раствора на основе компонента А (Zп) в форме отдельных слоев, ячеек, дендритов (в зависимости от величины зазора и условий кристаллизации). Эти кристаллы будут выпадать при снижении температуры до эвтектической.

Расплав состава, соответствующего точке е, распадается на мелко дисперсную смесь кристаллов твердого раствора на основе компонента В (точка 7 ) и А (точка 8).

Однако о количестве выделившихся первичных кристаллов твердого раствора на основе паяемого металла и количестве эвтектики судить по равновесной диаграмме состояния (по правилу рычага) невозможно, поскольку кристаллизация при пайке протекает в неравновесных условиях. При отсутствии растворимости в твердом состоянии эти закономерности сохраняются, но в качестве избыточной фазы выделяются чистые компоненты.

Диаграммы состояния с образованием перитектики (рис.6). В системе перитектического типа характер взаимодействия паяемого металла А с припоем В при Тп1 аналогичен рассматриваемому ранее. При охлаждении из расплава состава, соответствующего точке 1, в первую очередь начнут выделятся кристаллы твердого раствора α на основе компонента А, и по достижении температуры образования перитектики жидкость состава, соответствующего точке 3, вступит во взаимодействие с твердой фазой состава, соответствующего точке 4, с образованием фазы перитектического состава β, соответствующего точке Р. Кристаллизация такого сплава закончится при Тр с исчезновением жидкой фазы.

 

Рис. 6. К описанию взаимодействия в системе перитектического типа.

 

Если температура пайки ниже температуры Тп2, то в шве соответственно образуется жидкость состава, отвечающего точке 5.

Кристаллизация такого сплава не закончится при температуре кристаллизации, и из оставшейся жидкости состава , соответствующего точке 3, при дальнейшем снижении температуры будут выделяться кристаллы твердого раствора β на основе компонента В.

При дальнейшем снижении температуры пайки, например, при Тп3, сплав не будет претерпевать перитектические реакции. Образуется жидкость состава, соответствующего точке 7, и твердая фаза, соответствующая точке 8. При кристаллизации жидкой фазы она вся перейдет в β фазу, соответствующую твердому раствору на основе компонента В (припоя).

Диаграммы состояния компонентов с образованием непрерывных твердых растворов (рис.7). В системе металлов, взаимодействующих с образованием непрерывных твердых растворов, после расплавления припоя в процессе последующей выдержки при температуре пайки Тп происходит растворение основного металла в жидком припое и насыщение припоя до концентрации Сж.

 

 

 

Рис.7. Типовая диаграмма состояния компонентов, неограничено растворимых в твердом и жидком состоянии.

 

Равновесный состав жидкой части шва, отвечающей точке пересечения линии равновесного ликвидуса с изотермой пайки, достигается в капиллярных зазорах в течение секунд.

В первые секунды выдержки при температуре пайки состав расплава при малых зазорах (0,10-0,15 мм) практически близок к равновесному (точка Сж); при дальнейшей выдержке проходит образование диффузионных зон в паяном соединении в результате диффузии атомов припоя в паяемый металл.

Экспериментально установлено, что на межфазной границе состав практически близок к значению равновесного солидуса при температуре пайки (точка Ст ). Если при этом прекратить нагрев и охладить паяное соединение, то в шве произойдет кристаллизация жидкой прослойки. Образованый сплав является твердым раствором, поэтому конечная структура будет однофазной, аналогичной возникающей при кристаллизации чистых металлов. При увеличении выдержки при температуре пайки можно достичь затвердевания в результатеизотермической кристаллизации. При этом состав кристализирующих слоев будет отвечать равновесному солидусу при температуре пайки (точка Ст ). При других температурах изотермической кристаллизации - от температуры плавления припоя до температуры плавления паяемого металла - картина будет аналогичной, за исключением состава образующихся фаз и скорости достижения равновесия.

Элементы Cu-Au, Au-Ni, Cu-Mn Fe-Pd, Fe-Ni, Ni-Mn, Ni-Pd образуют систему с непрерывным рядом твердых растворов с минимумом на кривой ликвидус (рис.8).

 

 

 

Рис.8. Типовая диаграмма состояния системы с непрерывным рядом твердых растворов с минимумом на кривой ликвидус.

 

Причиной ухудшения совместимости паяемого металла А и припоя В при образовании между ними непрерывного ряда твердых растворов может быть существование концентрационной области низко пластичных упорядоченных фаз, это приводит к охрупчиванию паяного шва.

В этом случае для предотвращения охрупчивания паяного шва требуется быстрое охлаждение паяного соединения после пайки (что не всегда возможно), или легирование припоя компонентами, стабилизирующими твердый раствор.

Диаграммы состояния с образованием химического соединения (интерметаллида). При большей силе химической связи между паяемым металлом и припоем они способны к образованию химических cоединений, которые плавятся с разложением, или более химически прочных, плавящихся без разложения.

При взаимодействии компонентов (например, Al-Cu; Ai-Mg; Au-Cd; Cu-P; Fe-Si; Ti-Sn;Ag-Mg; Ag-Cd; Ag-In; Ag-Ga; Ag-Sb; Ag-Ti; Ag-Zn; Ag-Sn; Ag-Bi; Al-Ti; Au-Bi; Au-Pb; Bi-Ni; Cu-Ca; Cu-In; Cu-Sn; Cu-Zn; Fe-Zn.), образующих химические соединения, в контакте паяемого металла А с жидким припоем В может образоваться прослойка интерметаллида, способствующая охрупчиванию и понижению прочности паяных швов.

При этом прежде всего образуются интерметаллид с более высоким содержанием компонентов.

Скорость образования прослойки интерметаллида в процессе пайки зависит от энергии ее активации, времени и температуры контакта. При кратковременном контакте и высокой энергии активации образования интерметаллида при температуре пайки прослойка может не успеть образоваться и будет расти только в процессе затвердевания шва или при эксплуатации изделия.

 

 

 

Рис.9. Типовая диаграмма состояния металлов, взаимодействующих с

образованием неустойчивого химического соединения.

 

При кристализации сплава, образованного компонентами, взаимодействующими с образованием неустойчивого химического соединения (рис.9), по перитектической реакции (в момент достижения перитектической температуры) происходит выделение твердого раствора g на основе химического соединения AмBн в форме тонкого ободка вокруг выделений твердого раствора a. Таким образом в сплаве состава, соответствующего точке 1, кристаллизация заканчивается в точке 1¢ с образованием твердого раствора a (перитектики состава, соответствующего точке Р). Если пайку проводить при температуре Тп2, то в шве образуется расплав состава, соответствующего точке 3, кристализации которого не закончится при температуре образования перитектики. Оставшийся после прохождения перитектической реакции расплав будет продолжать кристаллизоваться с выделением первичных кристаллов твердого раствора g, и затем при температуре эвтектики произойдет эвтектическая кристаллизация. При этом твердый раствор на основе химического соединения войдет в мелко дисперсной форме в состав эвтектики.

Если пайка происходит при еще более низкой температуре Тп3, которая ниже температуры перитектической реакции, то концы коноды точек 5 и 6 соединяют фазы, находящиеся в равновесии, при этом расплав состава, сотвтствующего точке 5, должен находится в равновесии с твердым раствором g на основе химического соединения АмВн, к которому прикристализуются кристаллы твердого раствора b на границе раздела. Толщина образующейся прослойки будет зависит от толщины жидкой прослойки и от времени контактирования жидкого припоя с твердым паяемым металлом. По достижении температуры образования эвтектики произойдет эвтектическая кристаллизация с образованием эвтектики b+g, в которой твердый раствор на основе интерметаллида будет находится в мелко дисперсной форме.

В практике пайки гораздо чаще имеют место случаи, когда во взаимодействующей системе образуется не одно, а несколько химических соединений. В этом случае возможно образование на границе раздела в первую очередь соединения, не находящегося в равновесии ни с жидкой, ни с твердой фазой.

 
 

Расмотрим простейшую систему с одним устойчивым и конгруентно плавящимся химическим соединением (рис.10). Признаком конгруентного плавления твердого вещества является образование жидкости того же химического состава. Припоем и паяемым металлом служат соответственно металлы В и А.

 

Рис. 10. Типовая диаграмма состояния с образованием устойчивого химического соединения.

 

Рассмотрим взаимодействие при температуре Тп1, лежащей выше температуры плавления эвтектики Те, но ниже чем температура плавления химического соединения АмВн. В этом случае, поскольку количество расплава в зазоре невелико, он прореагирует с металлом А и достигнет предельного при данной температуре состава , соответсвующего точке 1, на поверхности паяемого металла при этом образуется твердый раствор a состава 2. В процесе взаимодействия на границе раздела происходит образование интерметаллида АмВн, который в результате контактного плавления переходит в расплав.

При охлаждении и достижении температуры Те из расплава выделяется твердый раствор a на основе паяемого металла А, твердый раствор на основе АмВн и эвтектика a+g. Наиболее благоприятная форма выделения химических соединений при пайке - мелко дисперсная. В таком виде интерметаллидные соединения не только не снижают пластичность паяных швов, но даже повышают прочность и жаропрочность соединений.

Если температура пайки ниже температуры образования эвтектики со стороны паяемого металла А, например Тп2, то картина принципиально изменится. Концы коноды 3 и 4 показывают, что в этом случае в равновесии будут находится жидкость состава, соответствующего точке 3, и твердая фаза g состава, соответствующего точке 4. Таким образом, на границе раздела паяемый металл-припой на поверхности паяемого металла А возникает и будет расти при температуре пайки прослойка твердого раствора на основе интерметаллида АмВн. При охлаждении такого сплава в зонах спая будет наблюдаться слой твердого раствора g на основе интерметаллида АмВн, к которому будут прикристаллизовываться кристаллы твердого раствора b и в последнюю очередь в центральной части шва закристаллизуется мелко дисперсная эвтектика состава, соответствующая точке е2, в которой одна из фаз будет твердым раствором на основе химического соединения.

Такое выделение интерметаллидов в паяных швах в значительной мере охрупчивет паяное соединение, особенно при значительной толщине хрупких прослоек.