Les intermétaux dans le brasage
Vendredi 11 novembre 2011 par Eric Bastow [voir biographie]
Les intermétaux sont un mal nécessaire dans le mode de la soudure d’un métal sur un autre, ce qui comprend le brasage. Il existe deux moyens de base pour qu’un métal se lie “chimiquement” à un autre métal : 1) solution solide 2) intermétal. Nous nous concentrerons uniquement sur les intermétaux pour le moment car c'est le plus pertinent pour le monde du brasage.
Beaucoup de gens confondent ou intervertissent « humidification » avec formation intermétallique (lien). L’humidification consiste juste à humidifier. Simplement parce qu’un brasage “humidifie” une surface, cela ne signifie pas qu’un « lien » intermetallique s’est formé. Par exemple, et je l’ai fait moi-même, le 55.5Bi 44.5Pb peut être fondu dans un morceau de cuivre. Le BiPb fondu coulera et « humidifiera » la surface du cuivre. Cependant, lors de la solidification (refroidissement) de l’alliage, le BiPb peut s’effriter. Pourquoi?...parce qu’aucun intermétal ne s’est formé entre le BiPb et la surface du cuivre.
Afin qu’un intermétal se forme, une certaine quantité de la métallisation en surface doit se dissoudre dans le brasage fondu. Pour cette raison, l’étain (Sn) a longtemps été un composant crucial des alliages de brasage. L’étain (Sn) fondu est un excellent solvent pour de nombreux autres métaux. Et, ce qui est pratique pour nous, ces « nombreux autres métaux » comprennent des éléments comme le cuivre, l’or, l’argent et, dans une moindre mesure, le nickel. Les rythmes auxquels ces autres métaux se dissolvent dans l’étain fondu (brasage) différeront. L’or se dissout immédiatement dans le brasage alors que le nickel le fait plus lentement. Donc, comme le rythme de dissolution est différent pour chaque métal, le rythme de la formation intermétallique est aussi différent. J’ai travaillé avec des sociétés qui ont une longue expérience du brasage sur du cuivre, et, quelle que soit la raison, elles doivent passer à une surface ENIG (Nickel chimique / or d’immersion). (Il est important de noter que la couche d’or est très fine et uniquement appliqué pour protéger le nickel de l’oxydation. Cette couche d’or se dissout immédiatement et complètement dans le brasage fondu et le « lien » est fait avec la surface du nickel). Lorsqu’elles changent, elles rencontrent parfois des problèmes comme une humidification incomplète, une faible force de lien, etc. et ne savent pas pourquoi. Elles ne sont pas conscientes que le même profil de reflux (temps et température) qui a fourni un bon lien (intermétallique) n’est pas suffisant pour obtenir le même lien intermétallique sur le nickel. Une fois qu’elle ajustent leur profil (plus de temps et/ou température plus élevée) pour permettre une formation intermétallique suffisante, elles peuvent parvenir à des soudures par brasage acceptables. Gardez à l’esprit que la dissolution, le phénomène d'un solide se dissolvant dans un liquide, est affectée par le temps et la température. De façon générale, plus de temps et une température plus élevée permettent une meilleure dissolution et donc une meilleure formation intermétallique.
Tel que cela a été mentionné dans mon introduction, les intermétaux sont un mal nécessaire. Pourquoi « un mal » ? Parce qu’ils ont tendance à être la partie de la soudure par brasage qui s’effrite le plus. Certains intermétaux s’effritent plus que d’autres. (Cela devra être pris en compte lors du choix d’un alliage de brasage pour une métallisation donnée). Par exemple, les intermétaux qui se forment entre Sn et Au sont souvent très prompts à s’effriter. Prompts à s’effriter, ils peuvent se rompre, etc. C’est un cas ou plus n’est pas forcément synonyme de mieux. Oui, vous avez besoin d’un intermétal pour obtenir un « lien ». Une couche intermétallique trop fine peut être mauvais mais une couche trop épaisse peut l'être autant, si ce n'est pire. Croyez-le ou non, le brasage ne peut pas bien adhérer à sa propre couche intermétallique. Les intermétaux sont en général des structures cristallines et chimiquement stables....ils ne réagissent pas vraiment avec autre chose une fois formés. Si vous avez déjà observé une soudure par brasage brisée, peut être avez-vous remarqué que la fracture s'est produite juste à l’interface entre la couche intermétallique et la majorité du brasage.
Un autre résultat possible d’une couche intermétallique trop épaisse est le « vide » à l’interface. Pourquoi ? Hé bien, nous devons d'abord observer les produits de la réaction. Il existe deux types de produits de réaction qui forment la couche intermétallique entre Sn et Cu. Ce sont Cu3Sn et Cu6sn5. Dans lepremier cas, il y a 3 atomes de Cu pour chaque atome de Sn et dans le deuxième cas 6 atomes de Cu tous les 5 atomes de Sn. Dans les deux cas le Cu est consommé plus vite que les atomes de Sn. Du fait de cette disparité de la réaction, dans un scénario exagéré, de petits trous ou espaces (des « vides ») peuvent se former à la surface du cuivre.
La formation intermétallique n’est pas seulement limitée à la procédure de brasage. Les atomes métalliques peuvent se diffuser même à l’état solide. Et ce mouvement peut faire que les atomes métalliques interagissent, réagissent et forment des intermétaux ou épaississent la couche intermétallique existante. Des expériences de « vieillissement » sont souvent effectuées pour mesurer dans quelle mesure la couche intermétallique changera et quelle conséquence elle aura sur la nature mécanique de la soudure.
Une discussion exhaustive sur les intermétaux va bien au-delà du cadre ou de l’objectif de cet article du blog. Des livres entiers pourraient être écrits sur le sujet. Je suis donc loin de faire justice au sujet des intermétaux. J’espère seulement apporter un peu d’éclairage sur le sujet.
Les commentaires ou les questions sont les bienvenus.
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