Активные газовые среды

Активные газовые среды, применяемые при пайке, не только защищают металлы от окисления, но и способствуют удалению оксидной пленки в процессе пайки. Среди активных сред наибольшее распро­странение получили водород и различные газовые смеси, содержа­щие водород и монооксид углерода. Активные газовые среды делят на восстановительные пазовые среды и газообразные флюсы. К восста­новительным газовым средам относятся водород, монооксид углерода и их смеси. К газообразным флюсам условно относят газовые среды, содержащие кроме вышеперечисленных компонентов еще и активные компоненты, способствующие удалению оксидов металла в процессе пайки, например трехфтористый бор, фтористый водород, хлористый водород и т.д.

Водород – двухатомный газ плотностью 0,084 кг/м³. В заметное взаимодействие с кислородом водород вступает при тем­пературе 300°С..При нагреве до 700 °С водород с кислородом взаи­модействуют с взрывом. Очищенный от примесей других газов и па­ров воды, водород является одним из лучших восстановителей ме­таллов из оксидов, но из-за взрывоопасности его применение огра­ничено. Поэтому для пайки водород в чистом виде применяется редко и только в печах малого объема. Наиболее целесообразно применять водород в смеси с азотом. Такие смеси значительно дешевле и ме­нее взрывоопасны. Применяют азотоводородные смеси с содержанием водорода 8% и менее. Они не взрывоопасны, но восстановительные свойства их более низкие по сравнению с водородом.

Большое распространение в качестве восстановительной газовой среды при пайке нашел диссоциированный аммиак. Аммиак NH₃ при нормальных условиях имеет плотность 0,77 кг/м³. При нагреве до температуры выше 535 °С в присутствии катализатора аммиак разлагается на водород и азот:

2NH₃ÛN₂+ 3H₂

Полученная в результате диссоциации азотоводородная смесь содер­жит 75% Н₂ и 25% N₂ по объему. Благодаря высокому содержанию водорода она является хорошим восстановителем при пайке конструкционных и легированных сталей, содержащих такие элементы как хром, марганец, кремний и др. Однако восстановительными свойст­вами обладает только тщательно осушенный газ. Наличие даже следов влаги вызывает обезуглероживание поверхности сталей и снижает восстановительные свойства. Кроме того, в такой атмосфере не должны содержаться остатки аммиака, т.к. при их наличии обра­зуется оксид азота, который является катализатором процесса обез­углероживания сталей.

Недостатком диссоциированного аммиака является его взрывоопасность. Для понижения содержания водорода его иногда сжигают в воз­духе или смешивают с азотом. Но в этом случае необходимо произ­водить очистку газа от примесей кислорода и паров воды.

Наряду с рассмотренными восстановительными газами и газовыми смесями при пайке применяют газовые атмосферы сложного состава, представляющие собой продукты сгорания горючих газов с дозированным количеством воздуха. Состав получаемых продуктов сгорания можно регулировать, меняя соотношение горючего газа и воздуха. После сжигания горючих газов продукты сгорания осушают и очищают от соединений серы. При недостаточно тщательной осушке газовые среды могут обеуглероживать поверхность стали, поэтому они не пригод­ны для пайки. Степень осушки газа характеризуется точкой росы.

Точкой росы называется температура, до которой должен быть охлажден газ, чтобы содержащийся в нем водяной пар достиг насы­щения и начал конденсироваться на окружающих предметах.

Осушка газов производится путем пропускания их через силикагель, алюмогель или фосфорный ангидрид, которые обеспечивают точку росы соот­ветственно –40°С, –60°С, и –80°С. При осушке фосфорным ангид­ридом газ предварительно пропускают через силикагель и алюмогель, что удлиняет срок службы колонки с фосфорным ангидридом. Примеси кислорода из восстановительных атмосфер удаляют путем пропускания газа через поглотители – обычно медную стружку. Для тонкой очистки инертных газов от кислорода, азота и паров воды применяют титановую и циркониевую губку.

Состав атмосфер, получающихся при сгорании горючих газов (природный газ) в воздухе приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Составы защитных атмосфер

К активным газовым средам относят также газообразные флюсы. Их применяют как самостоятельные газовые атмосферы или добавляют в нейтральные или восстановительные газовые смеси для повышения их активности в процессе пайки. В качестве газообразных флюсов применяют фтористый водород HF, трехфтористый бор BF₃, борорганические соединения и другие вещества. Газообразный флюс получают или в специальном диссоциаторе, из которого его подают к месту пайки, или же исходные продукты, при разложении образующие газо­образный флюс, вносят непосредственно в контейнер для пайки. Газообразные флюсы получают из фтористого аммония NH₄F, фторбората аммония NH₄BF₄, фторбората калия KBF₄, хлористого аммония. При неполном распаде фтористого аммония и фторбората аммония протекают реакции:

NH₄F Û NH₃ + HF

NH₄BF₄ Û NH₃ + HF + BF₃

Фтористый аммоний полностью разлагается на водород, азот и фторис­тый водород при температуре 600-800 °С. Фторборат аммония полностью разлагаемся на водород, азот, фтористый водород и трехфтористый бор при 850-950 °С. Если происходит неполный распад фтористого аммония и фторбората аммония, то при охлаждении аммиак взаимодей­ствует с фтористым водородом. Образующийся при этом фтористый аммоний осаждается на паяемых деталях или в газовой линии, засо­ряя ее. Поэтому при получении газообразного флюса их этих соеди­нений необходимо добиваться их полного разложения.

Фторборат калия полностью разлагается при температуре 800-900 °С по реакции

KBF₄ Û KF + BF₃

Необходимо отметить, что при пайке с применением фторбората калия высокой флюсующей активностью обладает как сам фторборат калия, так и продукты его распада. В качестве активной добавки в нейт­ральные или восстановительные газовые среды чаще всего исполь­зуют трехфтористый бор, который можно поставлять в баллонах.

Рассмотренные газообразные флюсы применяют при высокотемпературной пайке. Процесс низкотемпературной пайки резко активизируется при добавлении к существующим нейтральным и газовым средам паров хлористого аммония. Так в присутствии хлористого аммония пайка меди оловом в среде азота с точкой росы –70 °С протекает при 330 °С.

Механизм действия газообразного флюса можно пояснить на при­мере трехфтористого бора. При температуре пайки трехфтористый бор вступает в реакцию с оксидами металлов:

Cr₂O₃ + 3BF₃ Û 2CrF₃ + (BOF)₃

При недостаточном количестве трехфтористого бора в зоне пайки протекает реакция

Cr₂O₃ + 2BF₃ Û 2CrF₃ + B₂O₃

Газообразный фтороксид бора легко удаляется, твердые остатки B₂O₃ и СrF₃ образует сравнительно легкоплавкий шлак, не препятствую­щий смачиванию поверхности основного металла припоем.

Основным преимуществом применения при пайке нейтральных и вос­становительных атмосфер является отсутствие твердых остатков на паяных соединениях, поэтому отпадает необходимость в их промывке после пайки. Применение газовых сред облегчает также механизацию и автоматизацию процесса пайки.

Вакуум

Вакуум также как и активные газовые среды защищает от окис­ления и способствует удалению с поверхности металла окисной плен­ки. Вакуум создается путем откачки газа насосами из контейнера или печи, в которых производится пайка. Вакуум разделяют на низ­кий, средний (форвакуум) и высокий. Границей между высоким и средним вакуумом принято считать давление 10^–4 мм рт. ст. Область давлений ниже 10^–1 мм рт. ст. относят к низкому вакууму. Низкий вакуум для пайки не применяют. Средний вакуум, от 10^–1 до 10^–4 мм рт. ст. используют для пайки сталей, бронз и нике­левых сплавов. Высокий вакуум крайне желателен для пайки таких активных металлов как титан, цирконий, ниобий, тантал. Определенную трудность представляет пайка крупногабаритных изде­лий в высоком вакууме. Поэтому при отсутствии промышленного обору­дования для пайки в высоком вакууме пайку активных металлов ведут в среднем вакууме при условии предварительной промывки пространства контейнера или вакуумной печи чистым аргоном. Первой операцией такой промывки является создание вакуума 10^–2 – 10^–3 мм рт. ст., после чего вакуумированное пространство заполняется чистым аргоном, который вновь затем откачивается до указанного вакуума. В результате этого парциальное давление кислорода, азота, паров воды снижается до пределов, соответствующих высокому вакууму. Это практически полностью исключает окисление металлов при пайке и обеспечивает получение вакуум-плотных и прочных паяных сое­динений. Для пайки титана даже применяют многократное промыва­ние паяльной камеры аргоном.

Пайка в вакууме наряду с высокой прочностью паяных соедине­ний позволяет предупредить охрупчивание нержавеющих сталей и жа­ропрочных сплавов ввиду отсутствия возможности образования на их поверхности нитридов и гидридов.

Недостатком пайки в вакууме является сравнительная сложность и высокая стоимость оборудования, а также непригодность для нее мно­гих легкоиспаряющихся припоев.

ЛЕКЦИЯ №8