Флюсы и их роль

Процесс взаимодействия твердого металла, который паяют, с расплавленным припоем может активно происходить только после удаления с их поверхности окисной пленки, которая препятствует образованию между ними металлической связи. Поэтому место пайки очищается механическими и химическими средствами, а в процессе пайки применяются флюсы, которые дополнительно очищают поверхность металла от окисных и жировых пленок, а также предотвращают окисление металла при нагревании.

Одновременно со способностью удалять окисную пленку и защищать основной металл и припой от окисления, необходимо, чтобы флюс удовлетворял таким требованиям: при температуре пайки имел достаточную текучесть в жидком состоянии, способствовал формированию шва, не изменял свой состав, на протяжении всего процесса сохранял флюсующие свойства, легко удалялся после пайки. Остатки флюса не должны оказывать коррозионного влияния на металл.

Нанесенный на припой и на соединяемые поверхности, флюс при нагревании плавится, растекается, смачивает их и при некоторой температуре, которая называется минимальной температурой действия флюса, вступает в химические реакции, вследствие чего удаляется окисная пленка. С увеличением температуры интенсивность этого взаимодействия увеличивается. Верхней границей 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 флюсом. Интервал между максимальной и минимальной температурой действия флюса называется температурным интервалом.

Композиция флюсов

В зависимости от физико-химических свойств металлов, которые паяют, и припоя применяют такие компоненты флюса: соли, кислоты, окиси, а также вещества органического происхождения. Флюсы могут быть однородными веществами, например тетраборнокислый натрий(обезвоженная бура) Na₂B₄O₇ или хлористый цинк ZnCl₂ и сложными, которые состоят из двух и более компонентов (основа, растворитель окисной пленки, активное флюсующее вещество).

В флюсах сложного состава, которые применяются для высокотемпературной пайки, основой чаще являются стойкие при нагреве соли или их системы, например: Na₂B₄O₇, KCl-NaCl, КСl-LiCl и др.

Флюсы применяемые при пайке, имеют особенную специфику, которая отличают их от флюсов, используемых при плавке и сварке. Паяльный флюс должен иметь флюсующие свойства как относительно основного металла, так и относительно припоя, которые имеют разный химический состав и свойства (взаимодействовать с окисной пленкой на поверхности основного металла и припоя, и в жидком состоянии смачивать их). Этого можно достичь либо подбором веществ, которые флюсуют (активных к окисной пленке основного металла и припоя), или введением нескольких флюсующих веществ. Адгезия расплавленного флюса к основному металлу должна быть меньше, чем расплавленного припоя, что достигается соответствующей композицией флюса.

Применяемые в наше время флюсы по составу можно разделить на такие группы: 1) флюсы на основе соединений бора; 2) флюсы на основе фтористых соединений металлов; 3) флюсы на основе хлористых соединений металлов; 4) окисные флюсы; 5) Флюсы на основе канифоли и других органичных соединений.

К первой группе принадлежат флюсы, которые состоят из тетраборнокислого натрия, борной кислоты, борного ангидрида, а также флюсы более сложного состава на основе этих веществ.

Тетраборнокислый натрий получают путем обезвоживания гидрата тетраборнокислого натрия Na₂B₄O₇-10H₂O (буры).Внешне- это бесцветные прозрачные кристаллы. При нагревании до 80°С происходит удаление 80%кристаллизационной воды. Полное обезвоживание наступает при температуре 350…400°С. Тетраборнокислый натрий плавится при температуре около 740°С, но до 800°С он остается вязким, поэтому его применение возможно только при температуре выше 800°С.

Механизм флюсования.

В соответствии с существующими представлениями механизмы взаимодействия активных компонентов флюсов в процессе пайки сводят к следующему:

1.Химическое взаимодействие между флюсующим веществом и окисной пленкой, в результате чего последняя связывается в растворые соединения, образуя сравнительно легкоплавкие шлаки.

2. Химическое взаимодействие между активным веществом и металлом, в результате чего происходит разрушение и постепенный отрыв окисной пленки от основного металла и переход ее в шлаки.

3.Адсорбционное снижение прочности окисной пленки под действием расплавленного припоя и измельчение ее на частички коллоидных размеров.

4.Растворение окиснловосновного металла и припоя во флюсе.

Если процесс флюсования при пайке рассмотреть схематически, то он проходит в такой технологической последовательности. При нагревании основного металла происходит постепенное разрушение находящейся на его поверхности окисной пленки в результате удаления кристаллизационной воды и разложения нестойких соединений. Окисная пленка при этом немного распушивается. После расплавления флюса происходит смачивание им окисленной поверхности основного металла, создаются условия для взаимодействия активных компонентов флюса с поверхностью основного металла и припоя.

После растекания и смачивания флюсом основного металла происходит диспергирование окисной пленки. Одновременно из-за неодинаковой способности флюса растворять до окислов разные металлы происходит выборочное их растворение. Она постепенно разрушается флюсом, становится более пористой с сильно развитой поверхностью. Однако, растворение окислов в флюсе происходит постепенно и не приводит к нарушению связи между металлом и окисной пленкой. Для этого необходим более активный процесс, который вызовет либо перестройку в составе окисной пленки, которая находится в контакте с расплавленным флюсом, в результате чего нарушается ее связь с основным металлом, либо отрыв окисной пленки в результате распространения реакции под слой окисной пленки. В первом случае, когда активное флюсующее вещество взаимодействует с окисной пленкой, процесс флюсования происходит одновременно по всей поверхности основного металла и припоя. Такое флюсование характерно для флюсов содержащие бораты. Так тетраборнокислый натрий при флюсовании разлагается с выделением борного ангидрида, который является активным компонентом флюсов:

Na₂B₄O₇ = 2NaBO₂ + B₂O₃

При флюсовании он влияет на окисную пленку основного металла и припоя, химически связывая окислы в комплексы по реакции

МеО + Ва₂О₃ = МеО B₂O₃

Если в процессе флюсования происходит реакция между активным флюсующим веществом, и металлом которым паяют, то окисная пленка удаляется в основном, из-за ее механического разрушения. Флюс проникает в микропоры и микротрещины в пленке и реагирует с основным металлом. В результате этой реакции частицы окисной пленки отрываются и переходят в шлаки.

Состав и свойства припоев

В качестве припоев для пайки металлов применяют как чистые металлы, так и сплавы. Чтобы удовлетворить условиям процесса пайки и обеспечить получение качественных паянных соединений, припои должны соответствовать таким требованиям: 1) иметь температуру плавления ниже температуры плавления паяемых металлов; 2) при температуре паяния хорошо смачивать основной металл, заполнять соединительные зазоры; 3) обеспечивать получение прочных и коррозионностойких паяных соединений; 4) иметь коэффициент термического расширения близкий к паяемым металлом; 5) по возможности не содержать дефицитных компонентов; 6) иметь общедоступную технологию производства и применения.

В машиностроении наибольшее распространение получили припои на основе меди, серебра и никеля.

Недостаток меди, как припоя - сравнительно высокая температура плавления(1083°С), что обусловило ее применение главным образом при грубой пайке стальных изделий.

Широкое распространение латунных припоев для пайки медных сплавов и сталей объясняется их относительно низкой температурой плавления, узким интервалом кристаллизации, высокой растворимостью цинка в меди и недефицитностью. Температура пайки сталей латунными припоями-850…950°С.

При пайке стали латунью, которая содержит 60% Си, прочность паяных соединений выше прочности припоя, и повышается с увеличением содержания в шве и припое р- фазы.

Наибольшее распространение получили латуни Л63 и Л68, их используют для пайки соединений, которые работают в сравнительно напряженных условиях, при которых необходима высокая пластичность.

Основной недостаток латунных припоев состоит в частичном испарении цинка при пайке вследствие высокого давления его паров. Чистый цинк кипит при температуре 906°С. В латуни температура испарения цинка повышается и равна 1000°С при 59% Си, 1200°С при 75% и 1400°С при 85%

Из латуни цинк испаряется в виде белого окисла цинка, который имеет температуру плавления 1975°С. Температура испарения цинка из латунных припоев отличается от их температуры плавления всего на 100°С. Перегрев латунных припоев при пайке весьма нежелательное явление, т.к. ухудшаются свойства соединения (появляется пористость). Недостатком этих припоев является испарение цинка при пайке, что ухудшает условия работы с ним и приводит к повышению температуры плавления сплава.

Недостатком латуни Л63как припоя, кроме пониженной текучести в жидком состоянии и склонности к выгоранию цинка, является также плохое затекание в зазор.

Пайка сопротивлением.

При этом способе пайки нагрев происходит теплом, которое выделяется электрическим током при прохождении через паяемую деталь и токоподводящие элементы. Пайку сопротивлением можно проводить на точечных, стыковых, роликовых контактных сварочных машинах. Специальные машины для пайки принципиально ничем не отличаются от сварочных.

Поскольку в контактных сварочных машинах применяется ток низкого напряжения, то твердые флюсы при пайке непригодны, потому что они являются изоляторами. Пайка сопротивлением обычно происходит без флюсов и других средств защиты основного металла и припоя от окисления, потому что нагрев происходит быстро, а припой защищен от окисления основным металлом.

Качество паяных соединений получается высоким при минимальном короблении деталей. Припой в виде фольги толщиной 0.05…0.15мм наносят на поверхности гальваническим путем, металлизацией и др.

Преимущество пайки сопротивлением на контактных машинах высокая производительность и возможность наблюдать за процессом формирования паянного соединения. Недостаток - трудности подведения контактных зажимов к месту пайки, что не позволяет применять его к деталям сложной конфигурации.

В данной работе пайка образцов выполняется припоями на машине МС-301. Режим пайки определяется условием нагрева, продолжительностью выдержки при Т_п, условиями охлаждения.
Т_п обычно выбирается выше на 30-50°С Т_пл припоя.

Выдержка при Т_п должна быть такой, чтобы припой успел распла­виться и заполнить собой зазоры, образовать галтели. Режим охлаж­дения выбирается таким, чтобы не допустить сильного окисления металлов и образования трещин от термических напряжений, избежать пористости шва, которая возникает при быстром затвердевании припоя.

Режим пайки устанавливают опытным путем в зависимости от толщины деталей, свойств основного металла и припоя (рис 17).