§ 20. Способы удаления оксидной пленки.
Флюсы, применяемые при пайке
При рассмотренных способах пайки (см. § 19) нагрев детален и расплавление припоя необходимо производить в условиях, способствующих удалению с их поверхности оксидной пленки и защите от дальнейшего окисления под действием кислорода воздуха. Для этого применяют при пайке газовые среды, физико-механические способы разрушения оксидной пленки и флюсы.
Газовые среды, позволяющие проводить пайку без флюса, делят на нейтральные, активные и вакуум.
Нейтральные газовые среды играют роль защитной атмосферы, наибольшее распространение из которых получил аргон (одноатомный газ плотностью 1,78 кг/м3), образующийся как побочный продукт при получении кислорода из воздуха. Составы чистого аргона выбирают в зависимости от активности паяемых металлов и припоя к кислороду.
Одноатомный инертный газ гелий (плотность 0,178 кг/м3) содержится в природных газах и обеспечивает при пайке высокое качество паяемых изделий из большинства конструкционных материалов, так как в качестве примесей в нем содержится небольшое количество углеводородов; кислород и азот практически отсутствуют. Однако широкого применения гелий не получил, потому что его промышленное производство полностью не освоено и стоимость гелия высока.
При проведении пайки при сравнительно низких температурах вместо дорогостоящих аргона и гелия применяют азот — двухатомный газ, плотность которого в нормальных условиях составляет 1,251 кг/м3. При комнатной температуре он инертен, но при высоких температурах вступает во взаимодействие со многими металлами. В чистом виде азот применяют для пайки меди и сталей.
Бесфлюсовая пайка меди в атмосфере азота происходит при 750°С вместо 2000°С при нагреве в атмосфере воздуха. Активные газовые среды защищают металлы от окисления и способствуют удалению оксидной пленки в процессе пайки.
Активные газовые среды делятся на восстановительные (водород, оксид углерода и содержащие эти газы газовые смеси) и газовые флюсы, к которым условно относят газовые среды, содержащие другие активные компоненты, способствующие удалению оксидов металлов в процессе пайки (трехфтористый бор, фтористый водород, хлористый водород и т. д.). Вакуум, как и активные газовые среды, защищает от окисления. способствует удалению с поверхности паяемых деталей оксидной пленки и создается откачкой газа насосами из печи или контейнера, в котором производится пайка. Вакуум бывает низкий— область давления ниже 0,133 Па, средний (форвакуум) — 0,133 Па— 1,33-10+ 4 Па и высокий -выше 1,33-10 +4 Па.
Низкий вакуум, как правило, для пайки не применяют, средний используют для панки сталей, бронз и никелевых сплавов, высокий желательно применять для папки активных металлов (титан, цирконий, тантал и т. д.).
При пайке металлов в нейтральных и активных газовых средах и в вакууме основными процессами удаления оксидных пленок с поверхности паяемых металлов и припоя являются частичная диссоциация и испарение оксидов, а также взаимодействие их с активными компонентами газовых сред.
Механический способ удаления оксидной пленки состоит в механическом разрушении ее. Например, при низкотемпературной пайке алюминия для этой цели применяют абразивные паяльники. Сущность способа заключается в том, что оксидная пленка с паяемого металла удаляется с помощью абразивного стержня или круга, спрессованного из смеси порошкообразного припоя и измельченного асбеста (до 10%); температура плавления припоев, применяемых при этом способе, 75—450°С. Применяется также способ абразивно-кристаллической пайки, при котором используют припой в жидко-твердом состоянии. Пленка удаляется твердыми кристаллами припоя, а жидкая фаза является припоем.
Физические способы удаления оксидной пленки заключаются в применении ультразвуковых колебаний для ее разрушения в процессе пайки. К ультразвуковым относят упругие колебания и волны с частотой выше 20 000 Гц. Для получения ультразвуковых колебаний электрический ток низкой частоты преобразуется в специальном генераторе в ток ультразвуковой частоты и подается на излучатель, являющийся источником ультразвуковых колебаний.
Физико-механические способы удаления оксидной пленки применяют главным образом при низкотемпературной пайке алюминия, удалить оксидную пленку с которого другими способами не удается.
Пайка флюсами наиболее распространена и доступна, так как ее можно осуществить в обычных атмосферных условиях — без применения специального дорогостоящего оборудования, хотя область ее применения ограничена из-за невозможности в ряде случаев полностью удалить остатки флюсов.
Флюсом называют вещество, применяемое при пайке для удаления оксидной пленки с поверхности металлов, чтобы воспрепятствовать образованию между ними металлической связи и защитить их от окисления. Кроме того, необходимо, чтобы флюс при соответствующей температуре пайки имел достаточную жидкотекучесть, способствовал формированию шва, не изменял свой состав, в течение всего процесса сохранял флюсующие свойства, легко удалялся после папки. Остатки флюса не должны оказывать коррозионного воздействия на паяемый металл.
Флюс, нанесенный на поверхность паяемых металлов, и припой при нагревании плавятся, растекаются, смачивают ее и при некоторой минимальной температуре действия флюса вступают в химическое взаимодействие, в результате которого удаляется оксидная пленка. Минимальная температура действия флюса — это наименьшая температура, при которой флюс вступает в активное химическое взаимодействие с оксидной пленкой или непосредственно с металлом, обеспечивая смачивание паяемой поверхности припоем. С повышением температуры интенсивность этого взаимодействия увеличивается. Верхним пределом температурного интервала действия флюса является температура, при которой существенно снижается его активность в результате испарения отдельных компонентов и начинается окисление основного металла и припоя под слоем флюса. Интервал между минимальной и максимальной температурами действия флюса называется температурным интервалом действия флюса.
Применяемые флюсы но химическому составу делят на следующие группы: на основе соединений бора; на основе фтористых соединений металлов; на основе хлористых соединений металлов; оксидные;
на основе канифоли и других органических соединений.
К флюсам на основе соединений бора относятся флюсы из тетраборного натрия, борной кислоты, борного ангидрида, а также более сложного состава на основе этих веществ. Нели компоненты флюсов обезводить, получатся паяные соединения более высокого качества из-за уменьшения влияния на металлы паров воды. Пайку с применением этих флюсов проводят при температурах выше 800 ’С.
При наличии на поверхности основного металла и припоя устойчивых трудноудаляемых оксидных пленок применяют флюсы на основе фторидов. Пайку с применением флюсов проводят при 500—850 С. Флюсы на основе соединений бора и фтора применяют для пайки конструкционных, нержавеющих и жаропрочных сталей, а также никелевых и медных сплавов серебряными припоями.
Флюсы на основе хлористых соединений применяют для папки алюминия, его сплавов и магниевых сплавов. Оптимальное содержание хлористого цинка во флюсах для пайки алюминиевых сплавов составляет около 10%. Пайку с применением флюса на основе хлористых соединений проводят при 420— 620°С.
Оксидные флюсы (например, порошкообразное стекло) применяют для высокотемпературной пайки сталей. Они обладают высокими флюсующими свойствами, малой гигроскопичностью, сохраняют стабильность при хранении, не оказывают коррозионного воздействия на металл.
Флюсы на основе канифоли и других органических соединений применяют при низкотемпературной пайке металлов в тех случаях, когда нельзя тщательно промыть изделие после панки. Остатки флюсов на основе канифоли и других органических соединений не вызывают коррозии. Иногда используют в качестве флюса кусковую канифоль, но более удобно применять ее спиртовые растворы. Температура панки с применением этих флюсов 150—300°С. Если оксиды металлов и сплавов плохо удаляются канифолью или ее растворами, применяют канифольные флюсы с добавками активаторов. В качестве активаторов применяют анилин, триэтаноламин, солянокислый диэтиламин и другие вещества, не оказывающие существенного коррозионного воздействия на паяемые металлы.
Флюсы на основе канифоли применяют для пайки меди, ее сплавов, никеля и оцинкованного железа. При панке температура начала действия флюса должна быть шоке температуры плавления припоя для того, чтобы к моменту его расплавления процесс флюсования прошел полностью. Химический состав, температуры плавления и область применения флюсов даны в справочниках и другой литературе но пайке.
Для изготовления высоковольтных маслонаполненных вводов наиболее широкое применение получили флюсы на основе соединений бора и фтористых соединений (209), светлая канифоль и канифоль, растворенная в этиловом спирте с добавлением глицерина.
