浸润(Wetting)
软钎焊的第一个条件,就是已熔化的焊料在要连接的固体金属的表面上充分漫流以后,使之熔合一体,这样的过程叫作“浸润”(或润湿)。 粗看起来,金属表面是很光滑的。但是,若用显微镜放大看,就能看到无数凹凸不平,晶粒界面和划痕等,熔化的焊料没着这种凹凸与伤痕,就产生毛细作用,引起漫流浸润。
产生浸润的条件
为了使已熔焊料浸润固体金属表面,必须具备一定的条件。条件之一就是焊料与固体金属面必须是“清洁”的,由于清净,焊料与母材的原子间距离就能够很小,能够相互吸引,也就是使之接近到原子间力能发生作用的程度。斥力大于引力,这个原子就会被推到远离这个原子的位置,不可能产生浸润。当固体金属或熔化的金属表面附有氧化物或污褪保这些东西就会变成障碍,这样就不会产生润湿作用,金属表面必须清洁,这是一个充分条件。
由于本论坛不支持文档中夹图表,因此在这里省略金属结构和原子相互作用力的示意图解释,请大家海涵。
表面张力
表面张力是液体表面分子的凝聚力,它使表面分子被吸向液体内部,并呈收缩状(表面积最小的形状)。液体内部的每个分子都处在其它分子的包围之中,被平均的引力所吸引,呈平衡状态。但是,液体表面的分子则不然,其上面是一个异质层,该层的分子密度小,平均承受垂直于液面、方向指向液体内部的引力。其结果,出了在液体表面形成一层薄膜的现象,表面面积收缩到最小,呈球状。这是因为体积相同、表面积最小的形状是球体。这种自行收缩的力是表面自由能,这种现象叫做表面张力现象,这种能量叫做表面张力或表面能。这个表面能是对焊料的润湿起重要作用的一个因素。
毛细管现象
将熔化的清洁的焊料放在清洁的固体金属表面上时,焊料就会在固体金属表面上扩散,直到把固体金属润湿。这种现象是这样产生的:焊料借助于毛细管现象产生的毛细管力,沿着固体金属表面上微小的凸凹面和结晶的间隙向四方扩散。
液态金属不同于固体金属,其点阵排列不规则,以原子或分子的形态做布朗运动。因此,处在这种状态下的金属具有粘性和流动性,而没有强度。在这种情况下,金属在熔点附近的体积变化为3~4%左右。
关于毛细现象,有多种图表进行解释,初中物理课本的水银和水在细玻璃管壁的平衡形态,就是一个很好的解说。毛细原理是液态金属和固体金属间润湿的基础,有一个著名的托马斯-杨公式表示,大致是液态金属原子之间的作用力,液态金属和固体金属原子之间的作用力,液态金属原子和环境(空气、助焊剂等)原子作用力之间,三者的合力与液体球面切线的夹角,指向液态金属钦沟姆较颍则具有润湿的倾向,夹角越大,则润湿能力越强。具体可查阅相关资料。
扩散(Diff usion)
前面对软钎焊中的重要条件——浸润问题作了叙述,与这种浸润现象同时产生的,还有焊料对固体金属的扩散现象。由于这种扩散,在固体金属和焊料的边界层,往往形成金属化合物层(合金层)。
通常,由于金属原子在晶格点阵中呈热振动状态,所以在温度升高时,它会从一个晶格点阵自由地移动到其它晶格点阵,这人现象称为扩散现象。此时的移动速度和扩散量取决于温度和时间。例如,把金放在清洁的铅面上,在常温加压状态下放几天,就会结合成一体,这类的结合也是依靠扩散而形成的。
一般的晶内扩散,扩散的金属原子即使很少,也会成为固溶体而进入基体金属中。不能形成固溶体时,可认为只扩散到晶界处。因在常温加工时,靠近晶界处晶格紊乱,从而极易扩散。
固体之间的扩散,一般可认为是在相邻的晶格点阵上交换位置的扩散。除此之外,也可用复杂的空穴学说来解释。当把固体金属投入到熔化金属中搅拌混合时,有时可形成两个液相。一般说来,固体金属和熔化金属之间就要产生扩散。下面,就介绍这些金属间发生的扩散。
扩散的分类
扩散的程度因焊料的成分和母材金属的种类及不同的加热温度而异,它可分成从简单扩散到复杂扩散几类。
大体上说,扩散可分为两类,即自扩散(Self-diffusion)和异种原子间的扩散——化学扩散(Chemical diffusion)。所谓自b散,是指同种金属原子间的原子移动;而化学扩散是指异种原子间的扩散。如从扩散的现象上看,扩散可分为三类:晶内扩散(Bulk diffusion)、晶界扩散(Grain-boundary diffusion)和表面扩散(Surface diffusion)。
通过扩散而形成的中间层,会使结合部分的物理特性b化学特性发生变化,尤其是机械特性和耐腐蚀性等变化更大。因此,有必要对结合金属同焊料成分的组合进行充分的研究。