Если паяемый металл взаимодействует с припоем с образованием между ними химических соединений, то при пайке и высокотемпе­ратурной эксплуатации паяных изделий в шве на границе с паяемым металлом могут возникать и расти сплошные прослойки таких со­единений. Прослойки химических соединений, как правило, хрупкие и значительно отличаются от паяемого металла н припоя по коэффициенту термического расширения; все это может способство­вать хрупкому разрушению паяных соединений [25].

Образование прослойки химических соединений при пайке и эксплуатации паяного соединения возможно по трем механизмам:

1) в результате химической реакции на границе Мк и жидкого Мп при условии, что скорость роста такой' прослойки больше ско­рости ее растворения в жидком припое (Мп);

2) в результате диффузии элементов припоя Мп в паяемый ме­талл Мн и перестройки кристаллической решетки твердого раство­ра после достижения предельной растворимости Сж в кристалли­ческую решетку химического соединения;

3) в результате обогащении жидкого припоя атомами паяемого металла вблизи границы их контакта и образования химического соединения при их охлаждении и затвердевании жидкой фазы в объеме, прилежащем к паяемому металлу.

Во многих случаях металлы А и В способны к образованию нескольких химических соединений. М. Г. Окиов экспериментально показал, что в контакте твердого н жидкого металлов, способных к образованию нескольких химических соединений, возникает и рас­тет прежде всего химическое соединение, наиболее богатое легко­плавким металлом; менее богатые легкоплавким металлом прослой­ки химических соединений образуются в контакте между ними в процессе последующей выдержки тп при повышенной температуре.

На скорость роста прослойки химического соединения при пай­ке существенное влияние может оказывать удельный объем жид­кого припоя. Этот рост будет тем больше, чем больше отношение предельной растворимости паяемого металла в жидком припое при температуре пайки Сж к его растворимости при температуре солн - дуса шва Ст, т. е. чем больше раствореииого паяемого металла выделится из жидкого раствора при затвердевании. Так как с уве­личением температуры пайки соответственно возрастает н предельная растворимость С)к паяемого металла в жидком припое, то при прочих равных условиях этот рост будет тем' больше, чем выше температура пайки.

Начальная стадия возникновения прослойки химического соеди­нения на границе Т—Ж изучена слабо. Практически в результате шероховатости поверхности паяемого металла, несовершенств крис­таллической решетки, зерен и других дефектов химическое соеди­нение образуется сначала в отдельных центрах контакта, вдоль межфазной границы с последующим образованием сплошной про­слойки, которая затем растет по толщине. Параболический закон роста прослоек химических соединений при фронтальном их про­движении во многих случаях является первым приближением, так как часто по фронту роста прослойки наблюдаются отдельные ее выступы, растущие со скоростью выше средней.

Время подготовительного периода образования прослойки хи­мического соединения определяется кинетикой диффузионных про­цессов на этом этапе н энергией активации процесса: xc=Ket)/BTt где k — постоянная времени.

Энергия активации подготовительного периода может быть определена по данным о продолжительности подготовительных пе­риодов Ті и Т2 полученных экспериментально для двух различных

температур Ту и Т2 [2]. Отсюда т,/т2=еСп/КГ|/е ®ulRT2.

Скорость и направление роста прослойки химического соеди­нения в изотермических условиях определяются соотношением ско­ростей парциальных коэффициентов диффузии атомов твердого и жидкого металлов через эту прослойку.

Рост прослоек химических соединений с переменным. составом происходит путем диффузии за счет градиента концентраций на их границах. Рост прослоек, точного стехиометрического состава воз­можен только в результате самодиффузии и туннельного эффекта.

При больших значениях энергии активации Q н достаточно низкой температуре пайки <п подготовительный период т0 может оказаться настолько большим, что станет соизмеримым^ со. време­нем пайки. В этих условиях прослойка химического соединения может ие образоваться или иметь достаточно малую толщину.

Скорость роста прослоек химических соединений, нх состав н структура определяются не только термодинамическими,, но н ки­нетическими факторами — скоростью протекания реакции и харак­тером перехода химического соединения нз одного равновесного состояния в другое, иногда через метастабнльное состояние. В этих условиях порядок появлення прослоек химических соединений мо­жет не соответствовать порядку нх чередования, предусмотренно­му равновесной диаграммой состояния.

При взаимной диффузии твердых металлов рост прослойки химического соединения происходит по параболическому закону: хг*=2ЛтТ, где х — толщина прослойки химического соединения; т— время; kT — константа, зависящая от температуры.

Впоследствии было указано на возможность более общего па - раболнтнческого закона роста: хп=ктх, где п=3 или иному дроб­ному или целому числу. Практически для обработки результатов экспериментов обычно используют параболическую зависимость с п=2. Такая кинетика роста прослоек химических соединений в твердом состоянии отвечает многим случаям диффузионной кине­тики, устанавливаемой уравнением диффузии Фнка.

Параболический закон используют иногда для определения энергии активации роста прослоек химических соединений между твердыми металлами по уравнению InxPjx^lnb— (Q/R)(IJT), где Q — энергия активации; R — газовая постоянная; b — безразмерная константа.

Исследование скорости роста прослойки химических соединений нрн пайке проводят на образцах по ГОСТ 1548—74.

Период активации роста прослойки химического соединения изучают на образцах, аналогичных тем, какие используются в мето­дике испытаний для оценки склонности паяемого металла, к хими­ческой эрозии по ГОСТ 1548—74.

Для определения периода активации роста прослойки при за­данной температуре используют метод последовательных прибли­жений. Если в изотермических условиях контакта паяемого ма­териала и жидкого припоя за время ті металлографически обнару­живают интерметаллидную прослойку то следующая выдержка должна быть Tj=Ti/2. При образовании прослойки и за промежу­ток времени т2 исследуют образец после выдержки при Тз=т2/2 и т. д. Если после выдержки при т„=т„-|/2 прослойка не выявля­ется, то исследуют образец, полученный после выдержки 3/4тя-и пока не будет определено максимальное время контакта, при ко­тором прослойка не обнаруживается при тысячекратном увеличении. Это время в первом приближении может быть принято за период активации возникновения прослойки химического соединения.