Если паяемый металл взаимодействует с припоем с образова­нием между ними химических соединений, то при пайке и высоко­температурной эксплуатации паяных соединений 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 и припоя по температурному коэффициенту линейного расширения: все это может способствовать хрупкому разрушению паяных соединений.

Во многих случаях металлы А в В способны к образованию нескольких химических соединений. М. Г. Окнов эксперименталь­но показал, что в контакте твердого и 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 по месту контакта металлов А и В в процессе последующей выдержки тп при повышен­ной температуре.

На скорость роста прослойки химического соединения при пайке существенно влияет удельный объем жидкого припоя. Этот рост будет тем больше, чем больше отношение предельной рас­творимости паяемого металла в жидком припое Сж при температу­ре пайки к его растворимости при температуре солидуса шва, т. е. чем больше растворенного паяемого металла выделится из жид­кого раствора при затвердевании. Так как с увеличением темпе­ратуры пайки соответственно возрастает и предельная раствори­мость Сж 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 резуль - 252

тате шероховатости поверхности паяемого металла, несовершенст­ва кристаллической решетки, наличия зерен и других дефектов хи­мическое соединение возникает сначала в отдельных местах контакта, вдоль межфазной границы Т—Ж 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 и энергией активации процесса:

Tc = keQ/iR'

где k — постоянная, зависящая от времени.

Энергия активации процесса Q может быть определена по данным О продолжительности подготовительных периодов Ті и т2, полученных экспериментально для двух различных температур Ті и 7Y Тогда

Т1/Х2 = е0*/«Т>. eQ,/RT,

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

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

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

При взаимной диффузии твердых металлов рост прослойки химического соединения происходит по параболическому закону: x2 = 2Rtt, где х — толщина прослойки химического соединения; RT — константа, зависящая от температуры; т — время.

Впоследствии было указано на возможность более общего параболического закона роста: xn = RTт, где п = 3 или иному дроб­ному или целому числу. Практически для обработки результатов

экспериментов обычно используют параболическую зависимость при /1 = 2. Такая кинетика роста прослоек химических соединений в твердом состоянии отвечает многим случаям диффузионной кине­тики, устанавливаемой уравнением диффузии Фика.

Исследование скорости роста прослойки химических соедине­ний при пайке проводят на образцах по ГОСТ 21548—76.

Для определения периода активации роста прослойки при за­данной температуре используют метод последовательных при­ближений.

Для торможения роста прослойки химических соединений в припой необходимо ввести достаточно малое количество нового компонента, более активно химически взаимодействующего с ос­новным материалом, чем компоненты припоя, и образующего барь­ерный слой химического соединения малой толщины, не ухудшающего механических свойств соединения [15, 22].