Диффузионной пайкой называют вид пайки, при котором затвердевание шва происходит в процессе изотермической кристаллизации. Следует отличать диффузионную пайку от диффузионной термообработки паяных соединения с целью увеличения температуры распайки за счет диффузии элементов из шва в основной металл.
Процесс диффузионной пайки можно представить состоящим из двух стадий: в течение первой преобладает растворение твердого металла в жидком, во второй происходит собственно процесс изотермической кристаллизации, лимитируемый диффузией атомов в твердую фазу.
В этих работах показано, что имеет место параболический закон роста толщины слоя закристаллизовавшегося металла:
(15)
где х (t) - зависящая от времени толщина закристаллизовавшегося слоя,;
D - коэффициент диффузии в твердой фазе;
b - коэффициент, зависящий от концентрационных условий на межфазной границе, его определяют из уравнения:
(16)
Зависимость коэффициента b от F (С) =
может быть определена из номограммы рис. 2 и рис. 3, а.
Рис. 2. Номограмма зависимости коэффициента b от F (С).
Особенность диффузионной пайки как самостоятельного метода заключается в том, что изотермическая кристаллизация обеспечивает получение наиболее равновесной структуры шва.
Прочность и пластичность соединений увеличиваются за счет отсутствия в шве малопластичной литой структуры и продуктов неравновесной кристаллизации.
Диффузионную пайку в некоторых случаях можно проводить так, что образование интерметаллидов исключается. Для этого температуру пайки выбирают выше температуры плавления химического соединения.
В тех случаях, когда это невозможно, вследствие высокой температуры плавления интерметаллидов в шве образуются и растут интерметаллидные слои, тормозящие диффузию между твердой и жидкой фазами.
Если процесс пайки ведется при температуре несколько ниже температуры образования интерметаллида при достаточно малой толщине шва и соответственно слоя интерметаллида, последний вследствие неравновесного состояния прослойки может раствориться за счет диффузии в основной металл.
Как следует из уравнений (15) и (16), скорость протекания процесса диффузионной пайки зависит от коэффициента диффузии и коэффициента b, характеризуемого концентрационными условиями на межфазной границе.
С увеличением температуры пайки и коэффициента диффузии в твердой фазе уменьшается время, необходимое для протекания процесса. Коэффициент b возрастает при снижении значений С и увеличении С*, т. е. при увеличении растворимости твердой фазы в расплаве и атомов расплава в твердой фазе
Одним из важнейших преимуществ диффузионной пайки является возможность получения соединений из тугоплавких металлов с высокой температурой распайки при температуре пайки, лежащей ниже температуры плавления паяемых материалов.
Рис. 3. Схема диффузионной пайки: а - диаграмма состояния эвтектического типа; б - распределение концентраций элемента В в шве; 1 - к моменту насыщения; 2 - после завершения изотермической кристаллизации.
При диффузионной пайке происходит также изменение химического состава припоя в результате испарения легколетучих компонентов, снижающих температуру пайки. Так, предложено производить диффузионную пайку аустенитных сталей припоями Ni-In (61% Ni и 39% In) или припоями системы Ni-Cr-In-Ge. В припоях этого типа испаряющимся элементом является In.
Метод диффузионной пайки находит широкое применение при пайке алюминия, магния, сталей, активных и тугоплавких металлов. Так, для пайки компактного и пористого А1 разработан способ диффузионной пайки, исключающий применение флюса и глубокое проникновение припоя в поры основного металла.
На паяемые поверхности наносят смесь (А1 с 2% Си) порошков, образующую эвтектику А1-Си с температурой плавления 548° С. Пайку производят при 625° С в среде Н2. Эвтектика в процессе пайки растворяется в основном металле и граница раздела паяемых металлов исчезает.
При пайке Mg и его сплавов в качестве припоя для пайки используется Ag в виде фольги или Ag-покрытие, которое наносилось на поверхность при помощи ионного напыления.
Температура пайки 520-570°С, среда Аг. Применение ионного способа нанесения покрытия, способствующего удалению окисной пленки с поверхности Mg-сплава, на порядок снижает время диффузионной пайки.
По-видимому, при ионном способе нанесения покрытия за счет дефектности поверхностного слоя диффузионные процессы существенно ускоряются.
Для сокращения времени пребывания Mg при температуре пайки эффективно вести процесс с термоциклированием - циклический нагрев до температуры пайки с последующим охлаждением на 100°С ниже солидуса припоя. Термоциклирование за счет активизации диффузионных процессов позволяет снижать общее время пайки в 1,5 раза, а время выдержки при температуре пайки в 6 раз.
Исследования структуры и механических свойств соединений Ti, паянных Ag и с использованием Си и Ni-покрытий, образующих эвтектику с Ti, показали, что при диффузионной пайке прочность на срез при использовании Ni и Си в 3-4 раза выше, чем при использовании Ag.
В процессе диффузионной пайки в шве образуются твердые растворы на основе Ti. Ширина зон, структура и их свойства зависят от режима пайки. При использовании Ni-покрытия (15-20мкм) на ОТ4 после пайки при 1000°С в течение 30 мин содержание Ni в шве составляет 9,38%, а в диффузионной зоне рядом со швом не более 3,5% (атомн.).
При увеличении выдержки до 60 мин концентрация Ni по сечению шва не превышает 1,5% (атомн.). В случае использования Си-покрытия (15мкм) при 1000°С после 40 мин выдержки при пайке прослойка эвтектики исчезает. Шов состоит из твердого раствора Си в а-Ti и включений Ti2Cu. Предел прочности стыковых соединений достигает 40-60кгс/мм2, температура распайки 1290°С.