Механическое и физическое активирование поверхностного слоя металлов.

Оксидные пленки с поверхности некоторых металлов и сплавов могут быть удалены при непосредственном механическом или физическом воздействии на них под слоем жидкого припоя, который защищает очищенную поверхность от взаимодействия с компонентами окружающей среды, смачивает ее и вступает с паяемым металлом в физико-химическое взаимодействие.

Существенной особенностью пайки с механическим или физическим активированием является ее двухстадийность.

На первой стадии осуществляется процесс лужения паяемой поверхности легкоплавким припоем. На второй, собственно пайка по облуженным поверхностям, с приложением некоторого давления на паяемые поверхности для обеспечения контакта, и нагрева до температуры полного расплавления легкоплавкого припоя.

Эти способы активации нашли применение, главным образом, при пайке и лужении алюминия и его сплавов легкоплавкими припоями, для которых не найдены достаточно эффективные способы химического удаления оксидной пленки Al₂O₃ при температурах ниже 400ºС.

Механическое разрушение оксидов на паяемой поверхности под слоем жидкого припоя может быть проведено режущим инструментом (шабером), металлической щеткой, асбестом, тканью, концом прутка припоя и т.д. Для этой же цели, при применении припоев с узкими интервалами кристаллизации, могут быть использованы мелкие частицы абразива (стружка латуни, частицы асбеста, пемзы и др.) и первичные кристаллы припоев с широким интервалом кристаллизации, находящихся в жидко-твердом состоянии.

При использовании в качестве абразивных частиц первичных кристаллов припоя (когда эти частицы разделены жидкой фазой), оксидные пленки на поверхности облуживаемого металла разрушаются при ее вращательном или поступательном перемещении относительно массы припоя (рис. …).

а	б
Рис. … Абразивное лужение первичными кристаллами припоя: а – схема процесса; б – схема неподвижной ванны для абразивно-кристаллического лужения.

Лужение слабоокисляющимися припоями, например, оловянно-цинковыми, позволяет вести последующую пайку без использования флюсов.

К физическим способам удаления оксидных пленок следует отнести использование для этих целей источников колебания ультразвуковой частоты. При этом способе удаление оксидных пленок происходит под действием кавитацинных явлений в жидком припое, возникающих при введении в него ультразвуковых колебаний. Под воздействием колебаний, генерируемых, как правило, магнитострикционными излучателями, в жидкости образуются продольные волны, вызывающие попеременно то сжатие, то расширение. При расширении, если гидростатическое давление упадет до упругости пара жидкости, в ней образуются разрывы (каверны или кавитационные пузырьки). При нарастании давления в последующей фазе колебаний и под действием сил поверхностного натяжения разрывы в жидкости "захлопываются". В момент "захлопывания" кавитационных пузырьков местное давление в жидкости достигает сотен атмосфер, что вызывает образование сильных ударных волн, под действием которых разрушаются поверхностные твердых материалов. Естественно, что процесс разрушения начинается с оксидных пленок, а свободная от оксидов поверхность вступает в контакт с жидким припоем. Поскольку продолжительное воздействие механических колебаний низких частот вредно для человеческого организма, для пайки применяют колебания ультразвуковой частоты 16-25 килогерц.

В промышленности наиболее широко применяются два способа ультразвуковой пайки:

1. Ультразвуковыми паяльниками, которые передают колебания в расплав припоя, нанесенного на паяемую поверхность, через нагретое жало паяльника. При этом должен отсутствовать контакт паяльника с поверхностью паяемого материала.

2. Ультразвуковыми ваннами, в которых ультразвуковые колебания передаются расплавленному припою через стенки ванны при пайке и лужении способом погружения в расплав припоя.

Принципиальные схемы устройства ультразвукового паяльника и ультразвуковой ванны представлены на рисунках ….

Рис. …. Принципиальная схема ультразвукового паяльника 1 – рабочая часть паяльника, 2 – магнитострикционный преобразователь, 3 – обмотка возбуждения, 4 – высокочастотный генератор, 5 – кавитационные пузырьки, 6 – обмотка нагревателя, 7 – расплавленный припой, 8 – оксидная пленка	Рис. …. Принципиальная схема ультразвуковой ванны 1 – магнитострикционный преобразователь, 2 – аолновод, 3 – ванна, 4 – расплавленный припой, 5 – нагреватель.

Физико-механические способы удаления оксидных пленок нашли промышленное применение главным образом при низкотемпературной пайке алюминиевых сплавов.

Активирование флюсами.

Физико-химические процессы растворения и диспергирования оксидных пленок, реакций замещения и электрохимического взаимодействия реализуются при активировании поверхностей флюсами.

Паяльный флюс – вспомогательный материал, применяемый для удаления оксидов с поверхности паяемого материала и припоя и предотвращения их образования.

Флюс выполняет при пайке следующие основные функции:

– защищает паяемый металл и припой от взаимодействия с окислительной газовой средой;

– разрушает и удаляет оксидные пленки с поверхностей паяемых материалов и припоя;

– уменьшает поверхностное натяжение припоя и облегчает его затекание в зазор,

– у реактивных флюсов дополнительная функция – они служат источниками компонентов легкоплавкого припоя или покрытия при пайке.

Для выполнения этих функций флюс должен удовлетворять следующим требованиям:

- иметь достаточную жидкотекучесть при температурах пайки, легко затекать в зазоры и способствовать формированию паянного шва;

- не изменять свой состав и сохранять флюсующие свойства в течение всего процесса пайки;

- температура плавления флюса должны быть ниже температуры плавления припоя (Т_ПЛ.Ф.<Т_С.ПР.);

-флюс при температурах пайки должен образовывать с припоем два несмешивающихся слоя, при этом плотность флюса должны быть меньше плотности припоя (γ_фл<γ_пр.);

- флюс должен легко удаляться с поверхности, либо не должен оказывать коррозионного воздействия на паяемый металл и паяное соединение.

Согласно ГОСТ 17325-79 флюсы можно классифицировать по следующим признакам:

- по температурному интервалу активности: флюсы для низкотемпературной пайки (до 450ºС) и флюсы для высокотемпературной пайки (свыше 450ºС);

- по природе растворителя в температурном интервале активности: боридные, фторидные, хлоридные и другие;

- по механизму действия: флюсы химического действия, флюсы электрохимического действия и рективно-химического действия;

по агрегатному состоянию при поставке: твердые флюсы, жидкие флюсы.

В зависимости от физико-химических свойств паяемых металлов и припоя применяют следующие компоненты флюсов: соли, кислоты, оксиды, а так же вещества органического происхождения. Флюсы могут быть однородными веществами (Na₂B₄O₇, ZnCl₂) и сложными системами, состоящими из двух и более компонентов. Флюсы сложного состава содержат компоненты, являющиеся основой, которые растворяют остальные компоненты флюса и продукты флюсования, а при смачивании и растекании образуют плотную пленку, защищающую паяемый металл и припой от взаимодействия с окружающей средой.

Применяемые в промышленности флюсы для высокотемпературной пайки в качестве основы имеют устойчивые при нагреве соли или системы солей, позволяющие выбрать требуемые температуры плавления. Наиболее широко для этих целей используется соль Na₂B₄O₇ (обезвоженная бура), KCl–NaCl, NaCl–BaCl₂, KCl–LiCl₂ и другие.

Диаграммы состояния некоторых систем солей приведены на рисунке

Многообразие разработанных и применяемых в промышленности флюсов, различный химизм их действия в процессе пайки не позволяют объяснить все явления, происходящие при флюсовании, в рамках единой теории. Имеющийся экспериментальный материал, и созданные на его основе гипотезы позволяют выделить следующие основные механизмы активирования компонентами флюса паяемых поверхностей:

1. Химическое взаимодействие между активным флюсующим компонентом и оксидной пленкой, в результате чего образуется соединения, растворимые во флюсе, образующие легкоплавкий шлак или переходящие в газообразное состояние.

2. Химическое взаимодействие между активным флюсующим компонентом и паяемым металлом, в результате чего происходит разрушение и отрыв оксидной пленки от основного металла, и перевод ее в шлак.

3. Растворение оксидных пленок паяемого металла и припоя во флюсе.

4. Кроме воздействия флюса при активировании паяемой поверхности, разрушение и измельчение оксидной пленки может быть результатом адсорбционного воздействия на нее расплава припоя.

При пайке все эти механизмы действия флюса могут проявляться единовременно. Схема процесса флюсования может быть представлена в следующей (технологической) последовательности. При нагреве паяемого металла происходит постепенное разрушение оксидной пленки за счет удаления кристаллизационной воды и других нестойких соединений. Оксидная пленка при этом несколько разрыхляется. После смачивания флюсом паяемой поверхности, создаются условия для взаимодействия активных флюсующих компонентов с поверхностью паяемого материала и припоя. После смачивания и растекания флюса по паяемой поверхности избирательное растворение оксида: он становиться рыхлым с развитой поверхностью. Различия в физических свойствах паяемого металла и оксида могут приводить к нарушению сплошности, растрескиванию пленки и образованию физического контакта флюса с паяемым металлом.

Для случая, когда активное флюсующее вещество взаимодействует с оксидной пленкой, процесс флюсования происходит по всей поверхности контакта флюса и паяемой поверхности.

Флюсование по этому механизму характерно для флюсов, содержащих бораты. Так тетраборнокислый натрий Na₂B₄O₇ и борная кислота H₃BO₃ при нагреве разлагаются с образованием борного ангидрида B₂O₃, который является активным флюсующим компонентом флюсов этой группы. При флюсовании он взаимодействует с оксидами паяемого металла и припоя, связывая их в комплексные оксиды:

.

Так, при пайке сталей и медных сплавов боридными флюсами, в результате взаимодействия образуются легкоплавкие бораты следующих видов: и другие.

Бораты более сложного состава, например фторборат калия, разлагаются по реакции:

,

после чего фторидный калий взаимодействует с оксидными пленками паяемых материалов и растворяет их.

Трехфтористый бор, являющийся активным флюсующим компонентом, вступает с оксидами в химическое взаимодействие. При пайке хромистых сталей это взаимодействие протекает по реакции:

.

Отметим, что образующийся в результате этой реакции борный ангидрид может участвовать в процессе флюсования по рассмотренному выше механизму.

Если при флюсовой пайке протекает реакция между активными флюсующими компонентами и паяемым металлом, то оксидная пленка отделяется от паяемого металла и удаляется в основном в результате ее отрыва и механического разрушения продуктами флюсования. Такой механизм флюсования характерен для металлов с термодинамически стойкой и трудноудаляемой химическим путем оксидной пленкой.

Условием реализации такого механизма является наличие несплошностей (пор, трещин) в оксидной пленке, через которые флюс вступает в контакт с паяемым металлом. Так при пайке алюминия с использованием флюсов, в состав которых входит хлористый цинк, удаление оксидной пленки является результатом следующих процессов. При нагреве алюминия и его сплавов, вследствие резкого различия в коэффициентах термического расширения алюминия (23·10^-6 град^-1) и его оксидной пленки (7,1·10^-6 град^-1) в ней образуются трещины, возникновению которых способствуют поры в наружном слое оксида. В трещины проникает флюс и взаимодействует с паяемым металлом по реакции:

.

В момент образования, хлористый алюминий находится в газообразном состоянии, что способствует механическому отрыву оксидной пленки. Выделившийся в результате реакции цинк, высаживается на поверхность алюминия, вступая с ним в контактное плавление. Образующаяся жидкая фаза распространяется под оксидной пленкой, отделяя ее от паяемого металла и разрушая (рис. …).