Пайка металлов

ГЛАВА 5. ПАЯЛЬНЫЕ ФЛЮСЫ

Паяльный флюс – вспомогательный материал, применяемый для удаления окислов с поверхности паяемого материала и припоя и предотвращения их образования (ГОСТ 17325-79).

Для обеспечения высокого качества паяемого соединения флюсыдолжныобладатьследующимисвойствами:

–вступать во взаимодействие с окислами, прежде чем расплавится припой. Для каждого флюса температура его активного действия должна несколько превышать температуру плавления флюса, но быть ниже температуры плавления припоя;

–не вызывать коррозионного влияния на соединяемые детали

иприпой;

–оказывать адсорбирующее действие на металл, снижая поверхностное натяжение жидкого припоя и улучшая его растекаемость по паяемой поверхности;

–иметь при температуре пайки достаточную жидкотекучесть, способствовать формированию шва, легко удаляться после пайки;

–не менять своего химического состава при нагревании вследствие испарения отдельных компонентов (не снижать активность в предусмотренном интервале температуры пайки);

–по возможности не содержать дорогостоящих компонентов;

–быть устойчивыми в условиях транспортирования, хранения

иприменения.

Флюс, нанесенный на соединяемые поверхности паяемых деталей и припой, в процессе нагрева плавится, растекается, смачивает их и при некоторой температуре, называемой минимальной температурой действия флюса, вступает в химическое взаимодействие, результатом которогоявляетсяудаление окисной пленки.

Минимальной температурой действия флюса называется наименьшая температура, при которой флюс вступает в активные химические взаимодействия с окисной пленкой или непосредст-

42

венно с металлом, обеспечивая смачивание паяемой поверхности припоем.

С повышением температуры интенсивность этого взаимодействия усиливается. Верхний предел температурного интервала действия флюса ограничивается максимальной температурой действия флюса, при которой существенно снижается его активность за счет испарения отдельных компонентов и начинается окисление основного металла и припоя под слоем флюса. Интервал между минимальной

имаксимальной температурой действия флюса называется температурным интервалом действия флюса.

Флюс не участвует в образовании связи припоя с металлом. В этом отношении он подобен катализатору в химической реакции, который инициирует процесс и способствует его скорейшему протеканию, но не входит в получающийся продукт. Флюс аналогичным образом влияет на скорость и степень завершенности процесса пайки. При наличии чистых поверхностей металла и надлежащей среды паяемое соединение можно получить и без флюса, однако создать такие в промышленном производстве чрезвычайно сложно.

Основное назначение флюса:

а) освобождатьповерхностьотзагрязнениймсохранятьеечистой; б) влиять на равновесную систему поверхностного натяжения и, уменьшая угол смачивания, способствовать растеканию припоя.

5.1.Композиция флюсов

Взависимости от физико-химических свойств паяемых металлов и припоя в качестве компонентов флюсов применяются соли, кислоты, окислы, атакже веществаорганического происхождения.

Флюсы могут быть как однородными веществами, например

тетраборный натрий (обезвоженная бура) Na2B4O7 или хлористый цинк ZnCl2, так и сложными системами, состоящими из двух и более компонентов.

При разработке флюсов сложного состава исходят из того, что любой флюс включает главные компоненты: основу, активатор

ирастворитель.

43

Во-первых, флюс должен содержать вещества, которые являются как бы его основой, т.е. растворяют в своем составе остальные компоненты флюса и продукты флюсования, а при растекании образуют плотнуюпленку, защищающуюметаллотвзаимодействия своздухом.

Во-вторых, флюс должен содержать вещества, способные интенсивно растворять окислы, находящиеся на поверхности основного металла и припоя.

И наконец, во флюс должны входить, химически активные компоненты, которые являются активными флюсующими веществами, вступающими в химическое взаимодействие с окислами металлов или непосредственно с металлами. Это разграничение имеет условный характер, однако оно позволяет сгруппировать составные части флюсов сложного состава и понять характер действия их в процессе флюсования.

5.2. Классификация флюсов

Согласно ГОСТУ 19250-73 паяльные флюсы классифицируют с учетом следующих признаков: температурного интервала пайки, природы растворителя и активаторов, механизма действия, агрегатного состояния.

По температурному интервалу пайки флюсы делятся на высокотемпературные(свыше 450 °С) инизкотемпературные(ниже450 °С).

По природе растворителя флюсы бывают водные и неводные. По природе активаторов высокотемпературные флюсы делятся на галогенидные, фторборатные, боридно-углекислые; низкотем-

пературные – на канифольные, кислотные, галогенидные, гидразиновые, фторборатные, анилиновые, стеариновые.

В наименованиях флюсов, имеющих несколько активаторов, указываются активаторы, например: канифольно-галогенидный, фтор- боратно-галогенидный флюс.

По механизму действия различают флюсы защитные, химического действия, электрохимического, реактивные.

По агрегатному состоянию флюсы бывают твердые, жидкие и пастообразные.

44

5.3. Механизм флюсования

Ввиду различного состава применяемых при пайке флюсов химизм их действия в процессе флюсования весьма разнообразен.

Теория флюсования применительно к пайке почти не разработана. Отдельные гипотезы, базирующиеся на экспериментальном материале, лишь приближенно отражают действительную картину протекающих при флюсовании процессов. Согласно существующим представлениям механизм взаимодействия активных компонентов флюсов

впроцессепайки сводят обычно кдвумосновнымсхемам.

1.Химическое взаимодействие между активным флюсующим веществом и окисной пленкой, в результате чего последняя связывается в соединения, растворимые во флюсе, образуя сравнительно легкоплавкий шлак.

2.Химическое взаимодействие между активным флюсующим веществом и металлом, в результате чего происходит разрушение

ипостепенный отрыв окисной пленки от основного металла с переводом ее в шлак.

Заключительной стадией процесса взаимодействия является растворение окисной пленки основного металла и припоя во флюсе.

В условиях пайки все этапы схемы действия флюса могут проявляться одновременно. Кроме того, на протекание этих процессов большое влияние оказывает состав основного металла и припоя, что нельзя не учитывать, особенно при содержании в них таких активных компонентов, как хром, алюминий, бор, бериллий. При длительном взаимодействии, например при печной пайке, металлы могут частично растворяться во флюсах, особенно в тех случаях, когда в составе флюса имеются соли основного металла.

Схематично процесс флюсования при пайке протекает в следующей последовательности. При нагреве основного металла происходит постепенное разрушение имеющейся на его поверхности окисной пленки в результате удаления кристаллизационной воды и разложения нестойких соединений. Окисная пленка при этом несколько разрыхляется. После расплавления флюс смачивает окисленную по-

45

верхность основного металла, при этом создаются условия для взаимодействия активных компонентов флюсов с поверхностью основного металла и припоя.

Наиболее легко смачивают поверхность окисленного металла органические жидкости, входящие в состав флюсов, что объясняется их низким поверхностным натяжением. Соли, входящие в состав флюсов, в расплавленном состоянии имеют также сравнительно низкое поверхностное натяжение, что способствует хорошей смачиваемости ими поверхности основного металла и припоя. С повышением температуры пайки поверхностное натяжение расплавленных солей снижается, что улучшает условия смачивания.

После растекания флюса и смачивания им поверхности основного металла ввиду неодинаковой растворяющей способности флюса по отношению к окислам различных металлов происходит избирательное растворение окисной пленки. Она как бы выщелачивается флюсом, становится более пористой с сильно развитой поверхностью. Однако растворение окислов во флюсе протекает медленно и не нарушает связи между металлом и окисной пленкой. При более активном процессе указанная реакция начинает протекать и под слоем окисной пленки, что вызывает перестройку в структуре окисной пленки, находящейся в контакте с расплавленным флюсом и нарушает ее связь с основным металлом.

По первой схеме флюсования, когда активное флюсующее вещество взаимодействует с окисной пленкой, процесс флюсования протекает одновременно по всей поверхности основного металла и припоя. Флюсование по этому способу характерно, например, для флюсов, содержащих бориды. Так, тетраборнокислый натрий и борная кислота при флюсовании разлагаются с выделением борного ангидрида:

Na2B4O7 = 2NaBO2 + B2O3,

H3BO3 = HBO2 + H2O,

2HBO2 = B2O3 + H2O.

46

Активным компонентом этих флюсов является борный ангидрид B2O3, образующийся при разложении тетраборнокислого натрия и борной кислоты. При флюсовании он главным образом химически воздействует на окисную пленку основного металла и припоя, связывая окислы в комплексы по реакции

MеO + B2O3 = МеO B2O3.

Так, при пайке сталей меди и латуней образуются следующие легкоплавкие бораты:

2FlO 2Fl2O3 3B2O3, CuO B2O3, CuO ZnO B2O3.

Бораты сложного состава, такие как фторборат калия, при пайке разлагаются по реакции

KBF4 = KF + BF3.

Выделяющийся при этом фтористый калий растворяет окислы окисной пленки, а трехфтористый бор вступает с ними в активное химическое взаимодействие. Так, например, в случае пайки нержавеющихсталей трехфтористыйборвзаимодействуетсокисью хрома:

Cr2O3 + 2BF3 = 2CrF3 + B2O3.

Образующийся при этой реакции борный ангидрид может вступать в дальнейшее взаимодействие с окислами, образуя бораты.

По второй схеме флюсования, если в процессе флюсования протекает реакция между активным флюсующим веществом флюса и паяемым металлом, то удаление окисной пленки происходит

восновном в результате ее механического разрушения продуктами флюсования. Флюс проникает через микропоры и микротрещины

впленке и реагирует с основным металлом, в результате чего частицы окисной пленки отрываются и переходят в шлак. Указанному процессу сопутствует частичное растворение паяемой поверхности, поэтому количество активных компонентов во флюсе, реагирующих непосредственно с основным металлом, должно быть строго ограниченным.

47

Примером взаимодействия активного компонента флюса с основным металлом может служить процесс пайки алюминия с применением флюсов типа 34А, содержащих хлористый цинк. При пайке протекает реакция

2Al + 3ZnCl2 = 2AlCl3 + 3Zn.

Образующийся в результате этой реакции хлористый алюминий в момент выделения находится в газообразном состоянии, что способствуетмеханическому разрушению(отрыву) окиснойпленки.

Выделяющийся при этой реакции металлический цинк осаждается в расплавленном состоянии на освобожденную от окислов поверхность алюминия, что облегчает процесс сплавления последнего с припоем. Пары хлористого алюминия, выделяющиеся при флюсовании, токсичны, однако, интенсивно растворяясь в расплавленном флюсе в процессе пайки, они не оказывают вредного действия.

Флюсующее действие применяемых при низкотемпературной пайке канифоли и флюсов на ее основе объясняется способностью содержащихся в ней органических кислот растворять окислы некоторых металлов. Механизм действия активных добавок канифольных флюсов к настоящему времени мало изучен. Некоторые из них обладают исключительно ценными свойствами. Так, солянокислый анилин C6H5NH2HCl при нагреве выделяет хлористый водород, который взаимодействует с окислами основного металла и припоя с образованием легкорастворимых во флюсе хлоридов:

MеO + 2HCl = MеCl2 + H2O.

При охлаждении после пайки протекает реакция соединения непрореагировавшего хлористого водорода с остатком солянокислого анилина, в результате чего флюс снова становится нейтральным и не вызывает коррозии металлов.

48

5.4. Флюсы для высокотемпературной пайки

Рассмотрим примеры применения флюсов для пайки различных сталей и цветных металлов.

Для высокотемпературной пайки сталей и цветных металлов применяют борную кислоту (H3BO3) и буру (Na2B4O7). Эти вещества при пайке выделяют борный ангидрид (B2O3), который, соединяясь сосновными окислами металлов, образует легкоплавкий шлак, всплывающий на поверхность шва и предохраняющий его от вторичного окисления. Так, при пайке меди борной кислотой процесс может идти пореакции СиО + 2Н3ВО3 = СиО В2О3 + 3H2О.

При использовании в качестве флюса буры пайка происходит по реакции СиО + Na2B4O7 = СиО В2О3 + Na2B4O4.

Образовавшаяся смесь легкоплавких солей СиО В2О3 и Na2B4O4 плавится при более низкой температуре, чем каждая из них в отдельности. Аналогично происходит пайка при применении буры

иборной кислоты и других металлов, окислы которых являются основаниями.

Таким образом, борная кислота, бура, их смеси, иногда и борный ангидрид используются при пайке преимущественно железа

инизкоуглеродной стали медью, медно-цинковыми и серебряными припоями, а также меди бронз, латуни с высокой температурой плавления медно-цинковыми и серебряными припоями. При пайке

металлов, имеющих кислые окислы (например, кремнезема SiO2 при пайке чугуна) во флюсы вводят окислы или соли натрия. В этом

случае протекает реакция SiO2 + 2Na2CO3 = (Na2O) SiO2 + 2CO2 с образование легкоплавкой соли, переходящей в шлак.

При пайке легированных сталей и жаропрочных сплавов, содержащих хром, титан, молибден, вольфрам и другие элементы, флюсующего действия буры, борной кислоты и соединений натрия недостаточно. Поэтому в этих случаях для удаления окислов могут быть использованы галогениды или другие соединения. Наиболее часто для пайки таких металлов в состав боридных флюсов вводят фтористый калий (KF), фтористый натрий

49

(NaF), фтористый литий (LiF) и фтористый кальций (CaF2). Первые три фторида применяют как правило, при температуре пайки ниже 850 °С, фтористый кальций при температуре выше 850 °С. Это объясняется более высокой температурой плавления фтористого кальция (1375 °С).

Флюсы, содержащие соединения бора и фториды, заметно повышают активность, если в их состав ввести металлы, вступающие в реакцию замещения с окислами труднопаяемых металлов. Например, при пайке высокохромистых сплавов в флюс вводят лигатуру из алюминия, меди и магния. При этом протекают реакции

Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr,

Cr2O3 + 3Mg = 3MgO + 2Cr

Несмотря на то, что окислы алюминия и магния более химически стойки, чем окись хрома, они лучше растворяются во фторидах щелочных или щелочно-земельных металлов. С учетом этого разработан один из наиболее распространенных флюсов ПВ201 для пайки коррозионно-стойких и жаропрочных сплавов при темпера-

туре 850–1150 °С.

При пайке конструкционных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей, меди, серебра, золота, сплавов на их основе и многих других металлов при относительно низких температурах с успехом применяют фторидно-боридные соединения (тетраборад калия (KBF4), тетрафторборат натрия (NaBF4)). Тетраборат калия плавится при температуре 540 °С, тетраборат натрия – при 370 °С, а их эвтектическая смесь – при 360 °С. С бурой KBF4 образует эвтектику (31 % Na2B4O7) с температурой плавления 320 °С. Композиции тетраборатов щелочных металлов с другими соединениями позволили создать высокоактивные флюсы, используемые при 550–800 °С.

На вышеперечисленных принципах разработана гамма флюсов для высокотемпературной пайки всех марок сталей, сплавов, чугунов и цветных металлов, кроме алюминия, титана, магния и сплавов на

50