Fizica procesului de lipire

Fizica procesului de lipire

1. Faze si fenomene fizico-chimice specifice

In linii generale, procesul de lipire a doua piese metalice are loc in urmatoarele etape:

incalzirea metalelor de baza pana la o temperatura apropiata de temperatura de topire a aliajului pentru lipit;

topirea aliajului pentru lipit;

umectarea de catre aliajul pentru lipit in stare lichida a suprafatelor metalelor de baza care urmeaza a se lipi;

dizolvarea metalelor de baza din zona lipiturii in aliajul pentru lipit aflat in stare lichida si difuziunea reciproca a metalelor;

racirea si solidificarea aliajului pentru lipit.

In realiate, etapele enumerate se suprapun si, in plus, sunt insotite de o serie intreaga de alte procese auxiliare. Pentru a obtine lipituri bune, este necesar, in primul rand, ca aliajul pentru lipit sa fie topit. Daca se reuseste, printr-un procedeu oarecare, sa se intinda liajul pentru lipit pe suprafata rece a metalului de baza, acesta se va solidifica intr-un timp scurt si nu va rezulta nici o legatura intre cele doua metale. De aceea lipitura trebuie incalzita obligatoriu pana a temperatura de inceput de topire a aliajului pentru lipit (temperatura solidus). Nu este necesar sa se incalzeasca intregul subansamblu care se lipeste, ci numai suprafata lipiturii. Deoarece metalele au proprieatea de a fi bune conducatoare de caldura, este greu iar uneori, de exemplu, pentru piese masive din cupru care au o inalta conductibilitate termica, chiar imposibil, sa se realizeze o incalzire locala. De obicei, odata cu incalzirea lipiturii se topeste si aliajul pentru lipit.

Dupa incalzirea lipiturii, aliajul pentru lipit in stare topita trebuie sa se intinda pe suprafat metalului de baza, iar aceasta este posibil numai atuni cand aliajul respectiv uda bine suprafata metalului de baza. Prin umectare se intelege intrarea in contact nemijlocit a atomilor aliajului pentru lipit, in stare topita, cu atomii de la suprafata metalului de baza.

Umectarea se poate produce numai daca are loc un schimb de energie libera a sistemului; aliajul pentru lipit in stare topita va fi capabil sa ude suprafata metalului de baza numai atunci cand energia libera a sistemului se va micsora.

Daca fortele de atractie intre atomii aliajului pentru lipit si cei ai metalului de baza vor fi mai mari decat fortele de atractie intre atomii proprii ai aliajului pentru lipit , procesul de umectare va decurge prin degajare de caldura , adica cu reducerea energiei libere a sistemului si prin urmare se va obtine o buna umectare.

Atomii din stratul superficial au o rezerva de energie potentiala mai mare decat atomii din straturile interioare. Surplusul de energie, concentrat la suprafata metalului si raportat la unitatea de suprafata, se numeste energie superficiala.

Umectarea suprafetei metalului de baza de catre aliajul pentru lipit in stare topita depinde in mare masura de valoare tensiunii superficiale de la suprafata de separatie dintre metalul solid si metalul lichid. Cu cat aceasta tensiune este mai mica, cu atat va decurge mai usor procesul de umectare.

Pentru a obtine o lipitura rezistenta si uniforma este necesar ca, pe langa o buna umectare, aliajul pentru lipit sa umecteze bine suprafata metalelor de baza.

Umectarea suprafetelor metalelor de baza de catre aliajul pentru lipit in stare stare lichida constituie o caracteristica importanta, care depinde de un mare numar de factori. Unul dintre cei mai importanti factori, care influenteaza umectarea aliajului pentru lipit este raportul dintre valoarea tensiunilor superficiale de la suprafata de separatie, intre solid si gaz, si prin urmare de capacitatea de umectare, pe care de fapt o determina aceste tensiuni superficiale.

Viteza de umectare depinde in mare masura de vascozitatea topiturii. Cand intindera aliajului pentru lipit are loc la o temperatura de inceput de solidificare (temperatura lichidus), ea mai depinde si de fluiditatea topiturii. Influenta fluiditatii se manifesta numai cand se folosesc aliaje de lipit care cristalizeaza intr-un interval mare de temperatura. Umectarea depinde intr-o mare masura de forta de gravitatie (cauta sa reduca inaltimea picaturii) si de existenta unei pelicule rezistente de oxizi care se formeaza pe suprafata topiturii.

Se demonstreaza teoretic si s-a constatat practic ca, daca unghiul θ < 90 grade, aliajul de lipit uda in bune conditii suprafata metalului de baza; daca θ > 90 grade, aliajul uda slab suprafata metalului de baza; Daca θ = 0, ambele metale se uda reciproc in bune conditii. Cos θ se mai numeste si coefcient de umectare.

Influenta factorilor enumerati explica faptul ca umectarea depinde direct de compozitia aliajului pentru lipit si de temperatura la care se executa lipirea. Viteza de umectare are o valoare mica, dar in conditii reale, creste datorita efectului capilar al suprafetei cu asperitati a metalului de baza. Rugozitatea suprafetei metalului de baza are doua influente complet diferite asupra intinderii. Daca aliajul pentru lipit in stare topita umecteaza suprafata metalului, cresterea asperitatii va imbunatati umectarea. Dimpotriva, daca aliajul pentru lipit in stare topita nu umecteaza metalul de baza, cresterea asperitatii va influenta negativ asupra umectarii.

Pe cale analitica s-a demonstrat ca umectarea este direct proportionala cu capacitatea de umectare si cu tensiunea superficiala a aliajuluide lipit, la limita dintre aliaj si gaz sau flux. Totusi, aceasta dependenta nu are intotdeauna acelasi semn. De aceea, de exemplu, tensiunea superficiala a aliajelor din sistemul plumb-staniu descreste incet o data cu cresterea continutului de plumb. Umectarea aliajului variaza dupa o curba cu punctul maxim la concentratia eutectica.

Calitatea lipiturii depinde in mare masura de existenta legaturii dintre aliajul pentru lipit si metalul de baza. Umectarea suprafetei metalice solide de catre aliajul topit confirma faptul ca intre atomii aliajului pentru lipit si atomii metalului de baza are loc o interactiune, in urma careia ia nastere o legatura interatomica. Pentru obtinerea unei lipituri de calitate este necesar sa se pastreze aceasta legatura si dupa solidificarea aliajului pentru lipit.

Aliajul de lipit in stare topita reactioneaza cu metalul de baza. Desi aceasta reactie este completa, totusi, la baza ei se afla urmatoarele trei procese importante:

dizolvarea metalului de baza in aliajul pentru lipit in stare topita, cu formarea unei solutii lichide, care, de obicei, se descompune in faza de cristalizare;

difuziunea elementelor care compun aliajul pentru lipit in metalul de baza cu formarea unei solutii solide;

reactia (difuziunea reactiva) dintre aliajul pentru lipit si metalul de baza, cu formarea pe suprafa de separatie a unor legaturi chimice intermetalice.

Cinetica proceselor enumerate este determinata de compozitia aliajului pentru lipit si a metalului de baza, de raportul temperaturilor de topire, de durata procesului de lipire si de tipul diagramei de echilibru a sistemului de elemente care intra in compozitia aliajului pentru lipit si a metalului de baza.

Daca dizolvarea metalului de baza in aliajul pentru lipit aflat in stare topita se realizeaza usor si repede, aliajul pentru lipit se satureaza treptat cu metalul care se dizolva. In acest caz, temperatura de inceput de solidificare a aliajului de lipit poate sa se ridice mult, iar la temperatura de lipire se poate forma o faza solida, care este o combinatie chimica intre elementele care intra in compunerea metalului de baza si a aliajului pentru lipit. La racirea aliajului pentru lipit incepe cristalizarea combinatiilor celor mai greu fuzibile, Racirea incepe de cele mai multe ori de la metalul de baza, combinatiile care cristalizeaza primele se precipita la limita dintre aliajul pentru lipit si metalul de baza. Compozitia fazei precipitate este determinata de tipul diagramei de echilibru si depinde de temperatura la care se executa lipirea si de gradul de saturatie a aliajului pentru lipit cu metalul de baza.

    Cand aliajul pentru lipit este solubil in metalul de baza in stare solida, in procesul de lipire va predomina difuziunea in metalul de baza a unuia sau a catorva elemente care compun aliajul pentru lipit. In acest caz, in stratul de metal de baza, care intra in contact nemijlocit cu aliajul pentru lipit in stare topita, se obtine o solutie solida in care va predomina metalul de baza.

    Daca insa metalele care intra in compunerea aliajului pentru lipit si a metalului de baza pot forma intre ele compusi chimici definiti, atunci a limita de separatie se va produce o reactie chimica. In acest caz nu este posibil sa se determine, cu ajutorul diagramei de echilibru, compozitia fazei care apare la inceput.

    Pe baza proceselor de reactie fizico-chimice intre aliajul pentru lipit si metalul de baza, la limita de separatie, se constata de cele mai multe ori un strat intermediar de combinatii chimice. Aparitia permanenta a acestui strat intermediar a dus la parerea ca, pentru a se asigura o buna legatura intre aliajul pentru liait si metalul de baza, trebuie sa se formeze, obligatoriu, combinatii intermediare. S-a demonstrat ca legaturi rezistente intre aliajele pentru lipit si metalele de baza se pot realiza fara sa se formeaza nici un fel de combinatii chimice si pentru a se obtine o legatura rezistenta care sa se caracterizeze prin disparitia suprafetei de separatie, este necesar ca metalele sa fie apropiate pana la distantala care intra in actiune fortele interatomice.

    Compusii intermetalici care se formeaza la limita de separatie dintre metalul de baza si aliajul pentru lipit sunt foarte fragili; din aceasta cauza, in cazul cand stratul acestor combinatii este mai mare, rezistenta lipiturii scade mult, grosimea stratului de structuri intermediare depinde, in special, de temperatura de lipire si de durata contactului dintre metalul de baza si aliajul pentru lipit in stare topita. Prin urmare, pentru a obtine o imbinare foarte rezistenta, este necesar ca lipirea sa fie executata rapid si la temeperatura minima la care este posibil sa se execute lipirea cu aliajul pentru lipit respectiv.

 Echilibrul fortelor in procesul de lipire

Consideram punctul zero (0) ca fiind jonctiunea dintre metalul solid, aliajul de lipit in stare lichida si atmosfera gazoasa ce contine vapori de flux. Consideram particula 0 particula aliajului de lipit topit dispusa pe suprafata metalului solid in punctul 0. Aceasta particula se afla sub actiunea a trei forte principale (Fig. ):

- F_lg - forta de atractie a particulei de aliaj lipit topit (in stare lichida) de catre amestecul ambiant gazos (vapori de flux); valoarea acestei forte este - de obicei - foarte mica si poate fi neglijata pentru analiza ulterioara;

- F_lm - rezultanta fortelor de interactiune a atomilor aliajului de lipit in stare lichida, cu atomii metalului solid (orientata vertical in jos);

- F_ll - rezultanta fortelor de interactiune dintre particula 0 si alti atomi ai aliajului de lipit, situati in vecinatatea ei (orientata spre interiorul picaturii de aliaj de lipit topit).

Fig. 2 Echilibrul fortelor pentru picatura de aliaj

 F_ll - rezultanta fortelor de interactiune dintre particula 0 si alti atomi ai aliajului de lipit, situati in vecinatatea ei (orientata spre interiorul picaturii de aliaj de lipit topit).

Unghiul solid sub care picatura de aliaj de lipit in stare lichida atinge suprafata metalului solid este impartit in doua prin intermediul vectorului F_ll. Forta F_rez, rezultanta a fortelor F_lm si F_ll poate fi orientata - in functie si directia acestor forte - spre interiorul metalului solid, spre exteriorul picaturii de aliaj de lipit lichid sau pe limita de contact dintre ele. Forta de tensiune superficiala, F, este proportionala cu lungimea unui contur din stratul superficial,l, pe care se exercita forta, si cu coeficientul de tensiune superficiala, σ:

F= σl

Tensiunea superficiala actioneaza in sensul micsorarii ariei suprafetei libere.

Unghiul Ө, format intre tagenta la suprafata picaturii lichide in punctul 0 si linia de contact aliaj de lipit - metal de baza se numeste unghi de contact (sau unghi limita de umectare), iar marimea lui evidentiaza gradul de umectare a metalului de catre aliajul de lipit topit. Umectarea va fi cu atat mai buna, cu cat marimea acestui unghi va fi mai mica. Marimea unghiului de contact este, determinata de marimile tensiunilor superficiale la limitele, de contact intre fazele ce interactioneaza. Astfel, conditia de echilibru termodinamic a picaturii de aliaj de lipit pe suprafata metalica, dupa oprirea procesului de umectare (daca se neglijeaza - pentru simplificare - influenta fortei gravitationale) poate fi exprimata prin relatia lui YOUNG:

σ_sg - σ_sl - σ_lgcosӨ = 0

σ_sg = tensiunea superficiala la limita solid-gaz;

σ_sl  = tensiunea superficiala la limita solid-lichid;

σ_lg = tensiunea superficiala la limita lichid-gaz.

    Din relatia (1) rezulta ca, daca exista egalitatea tensiunilor superficiale σ_sg si σ_sl, unghiul de contact va fi egal cu 90°, iar vectorul tensiunii superficiale a lichidului la limita cu gazul σ_sg va fi orientat vertical (Fig. 1.3.1). Daca σ_sg > σ_sl , sub actiunea asa numitei presiuni de umectare (σ_sg - σ_sl), punctul 0 se va deplasa spre stanga, ceea ce are drept de consecinta reducerea unghiului de contact Ө, iar vectorul σ_lg va fi inclinat spre drapta. Procesul de reducere a unghiului de contact Ө va continua pana cand rezultanta fortelor in punctul 0 va deveni egala cu 0, adica:

σ_{sg =} σ_{sl +} σ_lgcos Ө, cos 0° = 1 si σ_{sg =} σ_{sl +} σ_lg   (2)

    Din relatia (2) rezulta valoarea lui cos Ө, care poate fi utilizat ca masura a udarii, fiind numit coeficient de umectare:

cos Ө = (σ_sg - σ_sl) / σ_lg

Astfel, umectarea va fi totala pentru Ө = 0°(cos 0° = 1) si va lipsi complet pentru Ө = 180°(cos 180° = - 1).

Aprecierea calitatii udarii este posibila si pe baza relatiei dintre tensiunile superficiale (tab. 1).

Un interes deosebit pentru coexiunile prin lipire din aparatura electronica il prezinta lipirea capilara, in care caz, sub actiunea fortelor capilare, aliajul de lipit topit patrunde in spatiile capilare inguste (ce nu depasesc de obicei latimea de 0,25 mm) existente intre piesele metalice ce trebuie imbinate. Tensiunea superficiala σ determina patrunderea aliajului de lipit topit in spatiul capilar, si constituie forta care face ca metalul topit sa urce in sus pe piesa in exteriorul imbinarii si sa se intinda orizontal, formand o racordare concava.

Tab. 1. Criterii de apreciere a calitatii umectarii

    Marimea fortei capilare F_c, sub a carei actiune aliajul de lipit topit patrunde in spatiul capilar, este data de relatia:

F_c= (2 σ_lg cos θ) / l

σ_lg =  reprezinta tensiunea superficiala a aliajului de lipit topit;

θ = unghiul de contact;

l = latimea spatiului capilar al imbinarii.

    Din relatia (4) rezulta ca forta capilara va fi cu atat mai mare cu cat tensiunea superficiala este mai mare, umectarea mai buna, unghiul de contact θ mai mic si spatiul capilar dintre piese mai ingust si in consecinta, l mai mic.

    Inaltimea maxima la care poate urca aliajul de lipit in stare lichida, cu greutatea specifica γ sub actiunea fortei capilare este:

    h_max = (2 σ_lg cos θ) / l γ   

    Un fenomen nedorit in procesul de lipire este restrangerea ariei de umectare dupa atingerea ariei maxime (De-wetting). Pornind de la relatiile (2) se defineste coeficientul de umectare S:

    S = σ_sg - σ_sl - σ_lg     (6)

Se considera ca o suprafata poate fi udata pentru S ≥ 0. Cand S < 0 apare fenomenul de-wetting.

    In determinarea fortelor ce actioneasa asupra picaturii de aliaj topit sunt importanti coeficientii de tensiune superficiala. Coeficientul de tensiune superficiala este determinat de natura lichidului si scade o data cu cresterea temperaturii. Problemele reale apar cand se formeaza straturi superficiale de oxizi care duc la cresterea fortelor de tensiune superficiala.