книги из ГПНТБ / Лашко, Н. Ф. Вопросы теории и технологии пайки

§ 2. Совместимость алюминиевых сплавов

его сплавов, определяющих их совместимость при пайке, от­ носятся прежде всего: присутствие на их поверхности хими­ чески и термически стойкой окисной пленки, затрудняющей контакт сплава с припоем; низкая коррозионная стойкость соединений алюминия, паянных легкоплавкими припоями на основе олова или свинца; низкая температура солидуса наи­ более прочных алюминиевых сплавов, упрочняемых в про­ цессе закалки и последующего старения.

Кроме этих важнейших факторов, на совместимость алю­ миниевых сплавов при пайке оказывают влияние и такие их особенности, как большая теплопроводность, высокий коэффи­ циент термического расширения, большая растворимость в них водорода, способность алюминия образовывать с большин­ ством компонентов припоев системы эвтектического типа (с Sn, Zn, Ag, Si, Ge, Си), причем с серебром, магнием и медью образуются очень хрупкие эвтектики.

АМц, АД1, АМг, АМгб, и сплав АД1, плакированный эвтекти­ ческим силумином (АМцПС).Эти сплавы можно нагревать при

кристаллитной эрозии в припоях, содержащих значительные количества кремния и меди, вследствие образования эвтекти­

16&

звания или возврата. Все эти процессы, приводящие к разу­ прочнению сплавов, развиваются как при общем (например,

нии предела прочности и удлинения сплавов Д16 и Д20 после нагрева по термическому циклу пайки приведены в [2 ].

При локальном нагреве таких сплавов горелками в тер­ мообработанном алюминиевом сплаве создается зона тер­ мического влияния, с пониженной прочностью и коррозион­ ной стойкостью. Последующая перезакалка паяных соеди­ нений по оптимальным режимам часто невозможна из-за

.опасности расплавления паяных швов, так как температура закалки термообрабатываемых сплавов обычно выше темпе­ ратуры их распайки.

Условия обеспечения контакта припоя и паяемого мате­ риала. Поверхность алюминия и его сплавов, содержащих менее 2,8% Mg или 2,8% Si, на воздухе быстро покрывается

окисной пленкой А120 3, толщина которой при росте на воздухе

о

в течение часа достигает 20А. Эта пленка плотная, с меньшим

=■24.(20—100°С); aAfSi=21,l (20—1 00° С ); коэффициент тер­

ионы гидроксила; эта окисная пленка легко взаимодействует с растворами кислот и щелочей.

пленка: сверху окисел MgO, а под ним — у—АІ20 3, что обу­ словлено большим давлением пара магния и большим коэффициентом диффузии магния в алюминий, чем алюми­ ния в магний.

Окисел a—А120 3 плавится при 2050° С, негигроскопичен и устойчив ,к действию воды и кислот.

По данным термодинамических расчетов [3], диссоциация окисла А120 3 при температурах 500—660°С возможна лишь в

170

вакууме ІО-50 торр и невозможна в инертных газах или в во­

дороде.

Среди активных газовых сред для этой цели пригодны дары некоторых галогенидов: хлориды, бромиды и иодиды ;бора и фосфора в вакууме или в смеси с аргоном при темпе­ ратурах не выше 625° С. Промышленного применения эти газо­ вые среды пока не получили; их технологические особенности остаются еще слабо изученными.

!В настоящее время для активирования поверхности алю­ миниевых сплавов при пайке их прежде всего изолируют от контакта с воздухом, помещая в вакуум, в инертные газы, под слой жидкого припоя или флюса, а затем удаляют слой

..окисной пленки, образовавшийся после подготовки поверх­ ности сплава под пайку.

Удаление окисиой пленки алюминия перед пайкой легко­ плавкими припоями производят под слоем жидкого припоя с помощью острого инструмента, например, шабера, абразив­ ных частиц (асбеста, ткани, первичных кристаллов припоя и

.др.) или с помощью ультразвуковых колебаний. Припой сма­ чивает очищенную от окисла поверхность металла. Отделе­ ние пленки от поверхности металла в промежутках между рисками или участками ее кавитационного разрушения, ве­ роятно, частично происходит и в результате контактного твердожидкого плавления алюминия в жидком припое на границе с окисной пленкой и диспергации последней.

Пайка деталей по поверхностям, предварительно смочен­ ным припоем, происходит при некотором их прижиме.

■Возможно, что вследствие смачивания поверхности в от­ дельных участках и образования лишь «мостиков» связи с помощью легкоплавкого припоя, слабо взаимодействующего -с алюминием, такие паяные соединения оказываются склон­ ными к щелевой коррозии.

При высокотемпературной" пайке алюминия и его сплавов удаление окисной пленки АІ^Оз с их поверхности происходит, главным образом, в процессе ее подплавления и диспергации.

Диспергация ÂI2O3 может развиваться в результате кон­ тактного твердожидкого или контактно-реактивного плавле­ ния паяемого материала в жидком металле, вытесняемом в

.процессе пайки из галогенидов, флюсов, или в жидком гото­ вом припое в местах нарушения сплошности окисной пленки.

При пайке с галогенидными флюсами возможна и элек­ трохимическая диспергация окисной пленки через ее не-

•сплошности в результате электрохимического растворения

171

паяемого материала в электролите — расплаве флюса. Такие

других металлов, имеют слишком высокую температуру

туру плавления смесей фторидов и хлоридов калия л натрия, позволило получить первые флюсы для пайки алюминия. Но эти флюсы были сравнительно слабоактивными, так как до­ статочно высокая активность флюсов алюминиевых сплавов была связана с введением в них галогенидов цинка, кадмия, олова, при взаимодействии которых с алюминием в местах несплошности АІ2О3 происходит электрохимическое вытесне­ ние легкоплавких металлов, подплавляющих и диспергирую­ щих окисную пленку.

В настоящее время применяют реактивные флюсы 34А,

Таблица 17

172

'ФЗ, ФВЗ и некоторые другие, содержащие хлориды цинка, олова, кадмия (табл. '17).

Флюс 34А, при пайке с которым на поверхности алюминия образуется слой вытесненного из ZitCU цинка, мало приго­ ден при пайке в печах, вследствие опасности сквозной эрозии паяемого материала, из-за большей растворимости алюминия

Ри с. ЗА. Предельная растворимость алюминия

влегкоплавких металлах и эвтектиках в зависи­

мости от температуры:

AI — Mg, 437° С — 32,7%; Al — Cu, 548° — 67%; Al — Ge, 428° — 47%; AI — Ag, Э660 — 29,5%;

Al — Zn, 328“ —5%; Al — Sn, 282“ — 5% AI— In, 288° — 0,5%.

в жидком цинке, особенно при температурах 550° С, при ко­ торых происходит пайка с большинством припоев на алюми­ ниевой основе. Алюминий слабее растворяется при этих тем­ пературах в олове и особенно в кадмии (рис. 31), поэтому для печной пайки был разработан флюс Ф5, содержащий вместо хлорида цинка хлориды олова и кадмия. Эрозионное действие этого флюса на алюминиевые сплавы слабее [2 ].

173

Протекание реакции вытеснения металла из галогенидов со­ провождается расходом паяемого металла и его эрозией и потому требует строгой дозировки реактивных флюсов.

Как показали исследования С. ,В. Лашко, iß. Н. Павлова и В. П. Парамоновой, реакция вытеснения металлов из гало­ генидов протекает самопроизвольно лишь начиная с некото­ рой температуры, зависящей от состава хлорида и его содер­

Г=СІ, Вг; п = 2 для Ме=Ві; п = 3 для Me—Zn, Рв, Cd

можно определить по изменению знака изобарного потенциа­ ла с (+ ) на (—). 'Результаты приближенного расчета изо­ барного потенциала, проведенного для реакции (1) по методи­ ке Л. П. Владимирова для температур 450° К, '500° К, 550° Кг

600° К, 650° К и 700° К, даны в табл. 18.

Таблица 18

Значения изобарного потенциала некоторых галогенидов при реакции их с алюминием (ккал/моль)

РЬВг2>700°К.

Учитывая экзотермический характер процесса, можно бы­ ло ожидать, что реакции с BiCl3, ВіВг3, РЬВг2 и SnCl2 должны сопровождаться выделением более значительного количества тепла, чем остальные.

т

т ° с

казаниям ртутного термометра, а при более высоких темпе­ ратурах— по температуре плавления сурьмы (627° С) и хло­ рида натрия (800,8° С). Полученные результаты приведены на рис. 32, 33.

Как видно из приведенных данных, на кривых зависимо­ сти температуры образца от температуры жидкого галогени­ да и времени контакта имеют место три этапа: относительно медленный нагрев до температуры галогенида, резкое возрас­ тание температуры образца после достижения температуры начала самопроизвольного течения процесса (227° для ВіС13, 327°С для ВіВгз). При определенной выдержке алюминиевых

176

нарастания температуры алюминиевого образца зависит и от диаметра провода: чем он меньше и меньше теплоотвод, тем' выше скорость нарастания температуры образца.

При использовании ванны из смеси галогенидов, содержа­ щей хлорид цинка (ZnCls— 10 г, ВгЛг-— 3 г, HF — 0,5 г), про­ цесс самопроизвольного нагрева начинается при 420° С. Вы­ тесняемый при этом цинк, затекая по скрутке, образует проч­

пайки путем промывки,, например, по следующей технологии: в горячей (50—80° С) воде с протиркойволосяной щеткой в течение -8 —10 минут; в холодной проточной воде —30 минут;

нанесения на шов нескольких капель 2 %-ного раствора азот­ нокислого серебра; при образовании в каплях белых хлопьев хлористого серебра промывку повторяют. Повторяют ее так­ же после механической обработки швов, при которой могут вскрыться включения флюса. После окончательной промыв­ ки изделие просушивают при 120—160° С.

Однако надежная промывка остатков флюсов после пай­ ки конструктивно сложных изделий затруднена и не всегда надежна. Даже при промывке конструктивно простых изде­ лий и узлов, но с большой протяженностью паяных швов удаление флюса из мест открытых непропаев, имеющих фор­ му щели, практически невозможно; коррозионное разрушение паяной конструкции в этом случае неизбежно. Поэтому боль­ шое значение для повышения надежности паяных изделий и узлов из алюминиевых сплавов, выполненных высокоплав­ кими припоями, приобретает бесфлюсовая пайка.

Последние '10—12 лет характеризуются усиленным поис­ ком способов бесфлюсовой высокотемпературной пайки алю­

Диспергация окиеной пленки А12Оз без применения галогенидных флюсов возможна при нагреве паяемого металла в безокислительной среде (вакууме, аргоне), что позволяет

178