В результате смачивания основного металла расплавом припоя между ними возникает контакт - необходимое условие развития процессов химического взаимодействия. Одновременно со смачиванием происходит растворение основного металла в расплавленном припое, вследствие чего состав зоны сплавления меняется, пока не достигнет равновесной концентрации (рис. 3), соответствующей пересечению изотермы температуры пайки с линией ликвидуса (точка С).
В процессе растворения одновременно идет диффузия из жидкости в твердую фазу, но поскольку скорость растворения твердого металла в жидком значительно выше, чем диффузия в твердой фазе, то диффузионная зона не образуется. С приближением состава жидкой фазы к равновесию скорость растворения основного металла в ней замедляется, вклад диффузии из жидкой фазы в твердую в массоперенос повышается, поэтому начинает образовываться диффузионная зона.
Рис. 3. Схема диаграммы состояния.
Если выдержка при температуре пайки достаточна для достижения равновесной концентрации жидкой и твердой фаз, то жидкая часть будет иметь состав, соответствующий пересечению изотермы с ликвидусом, а основной металл по границе с зоной сплавления - с солидусом диаграммы состояния.
Если нагрев при пайке будет прекращен до момента достижения равновесной концентрации жидкой фазы, то средний состав зоны сплавления не будет соответствовать точке С.
После достижения равновесия концентрация жидкой фазы постоянно отвечает точке С, равновесная концентрация твердой фазы в зоне спая (по составу соответствует точке D) достигается за счет насыщения припоем диффузионной зоны и изотермической кристаллизации выделяющегося из расплава твердого раствора.
С увеличением выдержки при температуре пайки изотермическая кристаллизация идет до получения во всем объеме зоны сплавления состава, соответствующего насыщенному твердому раствору (точка D). Кинетика этого процесса определяется диффузией. Припой диффундирует в основной металл, вследствие чего в жидкости достигается пересыщение основным металлом.
При определенном пересыщении происходит выделение из нее на поверхность основного металла твердого раствора состава, отвечающего точке D. Процесс этот будет протекать до тех пор, пока не израсходуется вся жидкость и не произойдет полная изотермическая кристаллизация.
Равновесие в зоне паяного соединения и в этом случае не достигается. Если нагрев не прекращен, то активно протекает процесс диффузионного выравнивания состава и при очень длительных выдержках - приближение его к составу основного металла.
В итоге процесс взаимодействия основного металла с расплавленным припоем при образовании растворно-диффузионного спая условно можно разграничить на три стадии:
1 стадия - интервал концентраций А - С, когда ведущим процессом является pастворение основного металла в расплавленном припое;
2 стадия - интервал концентраций С - D, когда между составами жидкой и твердой (D) фаз имеет место динамическое равновесие, происходит изотермическая кристаллизация;
3 стадия - интервал концентраций D - В, когда жидкости не осталось и протекает диффузия в твердой фазе.
Первая стадия взаимодействия основного металла с расплавом припоя лимитируется скоростью перехода атомов в пограничный слой, или скоростью их диффузии в расплаве припоя. Если скорость перехода атомов основного металла меньше скорости диффузии их в жидкой фазе, т. е. лимитирует интенсивность растворения, то уравнение скорости растворения в случае взаимодействия чистых металлов имеет вид:
где N - количество атомов, остающихся в расплаве припоя в единице объема (т. е. не выделяющихся вновь на поверхность твердого металла); t - время; w - вероятность перехода атомов основного металлa в расплав припоя; р - поверхностная плотность основного металла или число атомов на поверхности единичной площади;S - площадь растворяемого участка основного металла; w - скорость кристаллизации; С - концентрация основного металла в расплаве припоя.
К моменту насыщения расплава припоя основным металлом между ними установится динамическое равновесие, т. е.
где Соо - концентрация насыщения расплава припоя основным металлом.
Подставив в уравнение (7) СVж=N и приняв во внимание предыдущее равенство, получим:
где Vк- объем расплавленного припоя.
Проинтегрировав это выражение по времени и приняв концентрацию основного металла в расплаве припоя в начальный момент растворения равной нулю,полуучим уравнение, описывающее кинетику растворения:
Если растворение основного металла лимитируется диффузией в жидкой фазе уравнение скорости растворения запишется:
Где D - коэффициент диффузии атомов основного металла в жидком припое; δ - толщина пограничного слоя* в жидком металле, образующегося у поверхности основного металла.
Скорость изменения концентрации основного металла в припое по аналогии с предыдущим:
* При анализе процессов растворения различают стадию образования «спокойного» слоя жидкости на границе с твердым металлом и стадию диффузии из пограничного слоя в область конвективных потоков.
Интегрируя по времени с учетом равенства концентрации основного металла в расплаве припоя в начальный момент растворения нулю, получаем кинетическое уравнение процесса растворения, лимитируемого диффузией в жидкой фазе,
В том случае, когда скорость растворения зависит и от скорости перехода атомов основного металла в расплав припоя, и от скорости диффузии в жидкой фазе, кинетическое уравнение примет вид:
(14) где:
множитель показателя экспоненты, называемый константой скорости растворения, для первого случая равный wp/Соо и для второго D/δ.
Как видно из уравнений, во всех трех рассмотренных случаях кинетика растворения характеризуется аналогичными зависимостями, а расплав насыщается по экспоненциальному закону.
Из уравнения (14) следует, что кинетика растворения основного металла в расплавленном припое определяется соотношением физико-химических свойств взаимодействующих металлов, площадью контакта между ними и количеством жидкой фазы.
Согласно экспериментальным данным процесс растворения лимитируется в большинстве случаев диффузией основного металла в жидкой фазе.
Вторая стадия взаимодействия основного металла с расплавом припоя протекает различно в зависимости от соотношения их свойств: металлы, не растворимые в твердом состоянии, имеют ограниченную или непрерывную растворимость.
В простейшем случае, когда основной металл и припой не растворимы в твердом состоянии, вторая стадия будет характерна взаимной диффузией атомов основного металла и расплава припоя и изотермической кристаллизацией на подложку выделяющегося из расплава пересыщающего жидкость основного металла.
При образовании ограниченных или непрерывных твердых растворов при изотермической кристаллизации на подложку выделяется сплав основного металла и припоя, по составу (для двухкомпонентной системы) отвечающий точке пересечения изотермы температуры пайки с линией солидуса.
Если исходное количество припоя в зазоре составляет Q, то после насыщения припоя основным металлом количество жидкого раствора составит:
где φ - коэффициент, определяющий содержание основного металла в жидком растворе.
Количество растворившегося основного металла в расплаве припоя будет:
Чтобы связать весь перешедший в расплав припоя основной металл в твердый раствор, потребуется припоя:
где φ - коэффициент, определяющий содержание основного металла в твердом растворе.
В соответствии с этим количество припоя, избыточное по сравнению с необходимым для образования твердого раствора, которое при изотермической кристаллизации диффундирует в основной металл, составит: