Технологии пайке |

Часть 14

Среда, 23 Сен 2009

Известен опыт применения газовых сред для пайки нержавеющих сталей жаропрочными припоями, представляющих собой смесь нейтральных газов и паров щелочных металлов (лития, калия, натрия, рубидия, цезия).

В последнее время в качестве газообразных флюсов применяют пары магния, которые вводят в вакуумированное пространство при бесфлюсовой пайке алюминия и его сплавов припоями на основе алюминия. При нагреве в атмосфере паров магния окисная пленка А1203 удаляется. На поверхности расплавленного припоя и основного металла образуется тонкий и рыхлый слой окиси магния, который не является препятствием для пайки, так как легко диспергирует и обеспечивает протекание процесса бесфлюсовой пайки.

К основным достоинствам пайки в газовых средах относятся отсутствие продуктов флюсования, хороший товарный вид продукции, равномерный нагрев деталей, широкие возможности механизации и автоматизации пайки.


Часть 13

Среда, 23 Сен 2009

В среде фторида аммония производится пайка нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов при температуре порядка 800° С. В процессе разложения фтористого аммония образуются фтористый водород и свободный водород. При этом происходит разложение окислов фтористым водородом и одновременно восстановление водородом. При получении газообразного флюса из фтористого аммония или фторбората аммония следует добиваться полного их разложения во избежание образования фтористого аммония из продукта неполного распада солей — аммиака и фтористого водорода. Этот фтористый аммоний высаживается на поверхности деталей, затрудняя процесс смачивания, и на всех рабочих поверхностях камеры пайки и трубопроводов. Полный распад фтористого аммония возможен при температуре 600—800°С, фторбората аммония — при температуре 850—950° С.

Высокой флюсующей активностью обладает как сам фторборат калия, так и продукты его распада. Трехфтористый бор может применяться как активная добавка к нейтральным средам путем введения его в камеру пайки из баллонов, в которых она поставляется. Такие смеси обеспечивают процесс пайки нержавеющих сталей и некоторых жаропрочных сплавов при температурах 1000—1200° С.

Для пайки металлов по никелевому, медному и серебряному покрытию низкотемпературными припоями при температурах 250—500° С успешно можно применять газовую среду, состоящую из смеси азота или аргона и 0,1% по объему паров хлористого аммония.


Часть 12

Среда, 23 Сен 2009

Содержание кислорода в восстановительных газах достигает 0,1—0,5% и выше. Очистку газов от кислорода можно осуществить химическими поглотителями или каталитическим способом. В качестве активных поглотителей кислорода из газов служат желтый фосфор, губчатая медь, титановая губка и т. д.

При каталитическом способе очистки кислород благодаря действию катализатора связывается с водородом с образованием паров воды, которые затем удаляются путем осушки.

Наилучшими каталитическими свойствами обладают платина и палладий, но применение этих металлов для очистки атмосфер нерентабельно. Установлено, что высокими каталитическими свойствами обладает дешевый и доступный минерал дунит, который и был использован для очистки азотоводородных атмосфер. Такая очистка удаляет примесь кислорода из газа и обеспечивает растекание серебряных припоев по поверхности легированных сталей при температурах 750—800° С.

Газообразные флюсы. К активным газовым средам относят газообразные флюсы. Они применяются как самостоятельные атмосферы и как активизирующая добавка к нейтральным и восстановительным атмосферам. Активными газообразными флюсами являются продукты распада фторидов и хлоридов металлов. Исходными продуктами для получения указанных сред служат фтористый аммоний NH4F, фторборат аммония NH4BF4, фторборат калия KBF4 и др.


Часть 11

Среда, 23 Сен 2009

Обезуглероживание усиливается с повышением температуры и степени влажности среды. Для предотвращения сильного обезуглероживания при пайке сталей нужно применять сухие атмосферы, содержание паров воды в которых не превышает 0,1%. Однако полностью предотвратить обезуглероживание не удается.

В процессе нагрева металла в водородосодержащей атмосфере кроме обезуглероживания происходит растворение водорода в расплавленном припое, основном металле, образование на поверхности металлов гидридов и т. д.

Очистка газов от примесей кислорода и паров воды. Недостатком способа удаления окислов в газовых средах является высокая температура пайки: 1100—1150° С для углеродистых сталей, 1150—1200° С для легированных сталей, 1200—1220° С для жаропрочных сплавов. Относительно низкие восстановительные свойства газов, применяемых для пайки, объясняются наличием в них значительного количества примесей кислорода и паров воды. Для повышения активности восстановительных сред и для снижения температуры пайки необходимо производить тщательную очистку их от паров воды и кислорода.

Для осушки газов применяют адсорбенты типа силикагеля и алюмогеля. Силикагель обеспечивает получение точки росы —40° С, алюмогель —60° С. Для более глубокой осушки газовые среды дополнительно пропускают через фосфорный ангидрид, смешанный со стеклянной ватой. При этом достигается точка росы ниже —80° С. Еще более низкую точку росы до —100° С обеспечивает применение палладиевых катализаторов с последующим прохождением газа через активированный окисел алюминия.


Часть 10

Среда, 23 Сен 2009

Наряду с водородом и диссоциированным аммиаком широкое применение при пайке нашли газовые среды, представляющие собой продукты неполного сгорания высококалорийных газов в смеси с воздухом. Для этой цели используют природный газ, генераторный газ, пропан и другие горючие газы.

Состав газовой атмосферы можно регулировать, меняя соотношение горючего газа и воздуха в сжигаемой смеси. Более высокими восстановительными свойствами обладают атмосферы, полученные путем сжигания горючих газов при высокой температуре в присутствии катализаторов. Так как в этом случае сжигание происходит с поглощением тепла, подобные газовые смеси принято называть эндотермическими атмосферами.

Температуру катализатора и состав смеси подбирают так, чтобы происходило разложение углеводородов при неполном сгорании. Основными составляющими таких сред являются водород, окись углерода и азот.

Воздействие газовых сред на свойства основного металла. При пайке углеродистых сталей в активных газовых средах возможно обезуглероживание поверхности стали вследствие:

выгорания углерода с поверхности;

взаимодействия углерода с парами воды по реакции

С + Н20 = СО + Н2;

взаимодействия водорода с цементом по реакции Fe3C + 2H2 = 3Fe + CH4.


Часть 9

Вторник, 22 Сен 2009

Подобная смесь содержит 75% водорода и 25% азота по объему. После тщательной осушки такая газовая среда обладает высокими восстановительными свойствами. В ней успешно идет удаление окислов даже со сталей, легированных хромом, марганцем, кремнием.

Аммиак, используемый для приготовления подобной среды, транспортируют в баллонах в жидком состоянии. При пайке один баллон аммиака способен заменить 19 баллонов водорода той же емкости под давлением 150 кгс/см2. Следовательно применение аммиака не только менее опасно, но и более выгодно в экономическом отношении.

И все же из-за высокого содержания водорода диссоциированный аммиак не считается безопасной атмосферой. Для уменьшения содержания водорода диссоциированный аммиак иногда подвергают частичному сжиганию в смеси с воздухом или разбавляют азотом.

Более рентабельно получение азотоводородных смесей с низкой концентрацией водорода путем добавления к азоту небольшого количества водорода. Это имеет смысл особенно в тех случаях, когда азот получают на самом предприятии в качестве побочного продукта при выделении кислорода.

Азотоводородные смеси, полученные указанным путем, обычно содержат значительное количество влаги и следов кислорода, и поэтому их используют для пайки низкоуглеродистых сталей или подвергают дополнительно осушке и очистке.


Часть 8

Вторник, 22 Сен 2009

Косвенно, сравнивая теплоту образования окисла и водяного пара, можно получить сведения об активности восстановления водородом окислов металлов. Если теплота образования окисла меньше, чем у водяного пара (115,6 ккал на 1 моль 02), то он восстанавливается легко, в противном случае с трудом или вообще не восстанавливается.

По данным теплот образования окислов чистых металлов можно сделать предварительное заключение о возможности пайки в восстановительной среде сплавов на их основе. Так, сплавы, на поверхности которых образуются окислы MgO, Ti02, А1203, ВеО, не могут паяться в водородной среде. Сплавы, на поверхности которых образуются окислы, содержащие Сг203, требуют применения очень сухих восстановительных атмосфер.

Кроме указанных сталей пайке в водороде подвергают также высокоуглеродистые стали, быстрорежущие и хромомолибденовые. Температура пайки указанных сталей лежит в пределах 1180—1200° С.

Для уменьшения взрывоопасности водород обычно применяют в смеси с азотом, эти смеси значительно дешевле. Так, при содержании 8% Н2 и менее смесь становится невзрывоопасной, но гораздо менее активной.

Азотоводородные смеси приготовляют либо путем смешения технических азота и водорода, либо путем разложения газообразного аммиака. Диссоциированный аммиак нашел широкое применение в качестве восстановительной атмосферы при пайке. Он получается в специальных катализаторах при нагреве газообразного аммиака при температуре 535° С по реакции

2NH3r-2N2 + 3H2.


Часть 7

Вторник, 22 Сен 2009

В качестве восстановительных газовых сред используют водород и окись углерода, а также их смеси с азотом. Очищенный от примесей паров воды и других газов водород является очень активным восстановителем и действует на окислы металлов по реакции

МеО + Н2^Ме + Н20.

Водород гораздо более активный восстановитель, чем окись углерода. Так, например, окислы железа восстанавливаются в водороде примерно в 20 раз быстрее, чем в окиси углерода при 500° С, и в 10 раз быстрее при 300° С. Недостатком водорода является взрывоопасность, ограничивающая его применение.

На скорость восстановления окислов металлов большое влияние оказывают кислород, попадающий в камеру пайки с газовой средой из-за подсоса воздуха, выделения кислорода из металла и т. п., а также скорость удаления продуктов реакции восстановления. В присутствии паров воды скорость протекания этой реакции может стать равной нулю задолго до установления равновесного состава газовой фазы.

При увеличении константы равновесия, т. е. при увеличении содержания водорода в газовой среде или уменьшении паров воды, реакция смещается в сторону восстановления металла из окислов и наоборот, при уменьшении содержания водорода и увеличении содержания паров воды начинается окисление металла. Повышенное содержание влаги в среде водорода требует повышения температуры пайки. На практике парциальное давление водяного пара в газовой среде принято выражать через экспериментально определяемую точку росы. Точкой росы называется температура конденсации влаги, содержащейся в данной газовой атмосфере. Кривые зависимости точки росы водорода от температуры обратимых реакций восстановления окислов. Значения точек росы и температур, расположенные правее кривых, отвечают условиям восстановления окислов, левее — условиям окисления.


Часть 6

Вторник, 22 Сен 2009

Пайка в среде инертных газов обычно производится в контейнере при постоянной продувке. Продувка камеры пайки аргоном, подаваемым под некоторым избыточным давлением, необходима потому, что поток аргона в этом случае уносит с поверхности паяемой детали и из камеры пайки кислород и другие газообразные продукты, образующиеся при диссоциации окислов и других соединений. В случае пайки в застойной газовой среде повышение парциального давления кислорода у поверхности паяемой детали может вызвать прекращение процесса диссоциации.

В ряде случаев дефицитные аргон и гелий могут быть с успехом заменены более дешевым и доступным азотом. В частности, азот в качестве нейтральной атмосферы может быть использован для пайки меди, ее сплавов и для пайки сталей при относительно невысоких температурах: для меди 750—800° С, для стали до 1200° С. Недостатком азота является образование хрупких нитридов на поверхности некоторых сталей. Это опасно в случае пайки тонкостенных изделий, которые при этом теряют прочность.

Пайка в активных газовых средах. Применение восстановительных газовых атмосфер для пайки основано на протекании реакций восстановления металла из окисла, кислород связывается газом-восстановителем, а получающийся продукт удаляется из камеры пайки потоком свежей атмосферы.


Часть 5

Вторник, 22 Сен 2009

Принято считать, что с увеличением степени разрежения улучшаются условия смачивания металлов жидкими припоями, однако показано, что наилучшие условия для смачивания меди и армкожелеза создаются при степени разрежения 10~2 мм рт. ст. При таком вакууме имеют место максимальная площадь растекания припоев и минимальная температура начала растекания. С увеличением степени разрежения от 10~2 до 10~5 мм рт. ст. площадь растекания уменьшается и температура начала растекания повышается. Эти данные представляют большой интерес, так как указывают на возможность успешного проведения пайки при средних степенях разрежения без высокого вакуума, требующего сложного оборудования и больших затрат времени.

Основными достоинствами пайки в вакууме являются высокая плотность металла шва, хорошее качество поверхности и товарный вид изделия. Недостатком пайки в вакууме является сложность и высокая стоимость оборудования и большая длительность процесса.

В качестве нейтральных атмосфер для пайки используют инертные газы: аргон, гелий и азот.

Аргон всех трех марок применяют при пайке жаропрочных и нержавеющих сталей, вольфрама титана и других металлов. Для пайки титановых сплавов предпочитают аргон марки А, для сталей может быть использован аргон марок Б и В. Аргон всех трех марок может быть использован для пайки без дополнительной очистки от кислорода и влаги.


Часть 4

Вторник, 22 Сен 2009

Очевидно, что при пайке в вакууме процесс диссоциации окислов не является единственным процессом, приводящим к удалению окисных пленок с паяемой поверхности. Если исходить только из теоретических расчетов и пользоваться данными номограммы, то для пайки таких металлов как титан и хром, требуется необычайно высокие значения вакуума, совершенно не достижимые на практике (например, для разложения ТЮ2 требуется степень разрежения, соответствующая Ю-28 мм рт. ст.), в то время, как известно, что пайку титана и его сплавов успешно осуществляют в среднем вакууме при температурах порядка 1100— 1200° С. То же самое относится и к легирован кривые упругости диссоциным сталям. Приведенные примеры свидеации окислов некоторых элементов свидетельствуют о протекании дополнительно к процессу диссоциации явлений, способствующих удалению окислов и при более высоких парциальных давлениях кислорода в среде.

Процессами, способствующими удалению окисных пленок в процессе пайки, являются также возгонка окислов и их растворение в расплаве припоя и основном металле. При высоких температурах пайки удаление окислов возможно за счет испарения. Так, медь и серебро, часто употребляемые в качестве составляющих припоев, интенсивно растворяют кислород Серебро при температуре 1000° С способно растворить 2 атомн. % кислорода. В жидкой меди при температуре 1200е С растворяется 5,7 атомн. % кислорода. Наиболее интенсивно растворяется окисная пленка в титане при температуре выше 700° С.


Часть 3

Вторник, 22 Сен 2009

На основании этой формулы построены кривые зависимости упругости диссоциации окислов некоторых элементов от температуры. Область температур и давлений ниже равновесной кривой отвечает условиям разложения окислов, область температур и давлений выше равновесия соответствует условиям окисления металла.

При неизменном парциальном давлении кислорода в газовой среде увеличение температуры нагрева смещает равновесие в сторону разложения окислов. При постоянной температуре уменьшение парциального давления кислорода также способствует диссоциации окисла и наоборот. Следовательно, увеличение температуры пайки и снижение содержания кислорода в окружающей среде приводит к более полному удалению окислов и более высокому качеству пайки.

Значительное снижение содержания кислорода в среде, используемой для пайки, может быть достигнуто созданием вакуума и заполнением пространства, в котором ведется пайка нейтральным газом. Если эту операцию повторить многократно, то можно снизить парциальное давление кислорода, азота и паров воды в камере пайки до значений, отвечающих высокому вакууму, что позволяет успешно производить пайку труднопаяемых металлов.


Часть 2

Вторник, 22 Сен 2009

Пайка в вакууме и в среде инертных газов. При нагреве устойчивость окислов снижается. По достижении определенной температуры окислы способны разлагаться на металл и кислород. На этом основано удаление окислов при пайке в вакууме и в нейтральных газовых атмосферах. Устойчивость окисла или температура его разложения определяется прочностью связи элементов в окислах. Прочность связи или способность к разложению окисла может быть приближенно оценена по теплоте образования окисла. Так, окислы благородных металлов имеют невысокие значения теплоты образования и наиболее легко разлагаются при нагреве. Окислы же легких металлов имеют наибольшую прочность связи элементов в окислах и наиболее трудно поддаются диссоциации при нагреве.

Для большинства металлов температура разложения окислов на воздухе значительно превышает температуру их плавления и даже кипения. Для того чтобы снизить температуру разложения окислов до приемлемых значений, необходимо снизить содержание кислорода в окружающей металл атмосфере. Каждой температуре отвечает свое равновесное значение парциального давления кислорода, которое принято называть упругостью диссоциации окисла, т. е. это такое наименьшее давление кислорода, при котором возможно при данной температуре разложение окисла. Чем выше упругость диссоциации окисла, тем при большем содержании кислорода в окружающей атмосфере возможно разложение окисла, и наоборот. Таким образом, окислы серебра и золота обладают высокой упругостью диссоциации, окислы алюминия и магния имеют низкую упругость диссоциации.


Часть 1

Вторник, 22 Сен 2009

Пайка металлов в специальных газовых средах является прогрессивным технологическим процессом, лишенным основного недостатка флюсовой пайки—низкой коррозионной стойкости соединений из-за наличия остатков флюсов. Искусственные среды, используемые для пайки, можно разделить на три типа: нейтральные, активные и вакуум.

В качестве нейтральных атмосфер нашли применение такие газы как азот, аргон, гелий. Их роль в основном сводится к защите основного металла и припоя от окисления при нагреве в процессе пайки. В химическое взаимодействие с окисными пленками на поверхности металлов или с самими металлами нейтральные атмосферы не вступают. Удаление окисной пленки при высокотемпературном нагреве происходит в результате диссоциации окислов в среде, лишенной кислорода.

Аналогичное действие на окислы оказывает в процессе пайки вакуум, который нашел в последние годы широкое применение в качестве среды, используемой для пайки особо ответственных изделий.

Активные газовые атмосферы не только защищают металл и припой от окисления, но и вступают в активное химическое взаимодействие с окисными пленками на поверхности металлов. Продукты взаимодействия в результате этого удаляются, благодаря чему поверхность оказывается подготовленной под пайку.