2.2.2. Хімічні методи активування поверхні.
Видалення оксидних плівок з поверхні паяних металів може бути результатом їхньої хімічної взаємодії зі спеціальними газовими середовищами та флюсами.
Основними реакціями взаємодії є реакціїдисоціації,відновленняіобміну.
2.2.2.1. Реакція дисоціації оксидів.
Відповідно до закону діючих мас для гетерогенної оборотної реакції між металом та киснем:
константа рівноваги реакції, виражена через концентрації компонентів, визначається співвідношенням:
де
Якщо замість концентрацій реагуючих речовин підставити пропорційні їм парціальні тиску, константна рівновага матиме вигляд:
де
При постійній температурі парціальний тиск металу та оксиду металу мають постійне значення. Тоді для реакцій окислення металів або дисоціації їх оксидів, константа рівноваги матиме вигляд:
і отже, за постійної температури умова рівноваги оборотної реакції окислення визначатиметься парціальним тиском кисню. Зростання парціального тиску кисню у системі свідчить про дисоціації оксиду, а зменшення – про його освіту.
Рівноважний при постійній температурі парціальний тиск кисню називається пружністю (тиском) дисоціації оксиду.
Залежність пружності дисоціації оксиду від температури визначається спрощеною формулою Нернста, виведеною за термодинамічного рівняння:
(9)
деQ- теплота утворення оксиду, віднесена до 1 молю кисню;
Т- температура, До.
Звикористанням цієї формули побудовано залежності пружностей дисоціації оксидів найбільш широко застосовуваних при пайці металів від температури, які наведені на малюнку 19. Ці залежності показують, що при постійному парціальному тиску кисню в газовому середовищі підвищення температури зміщує рівновагу реакції у бік дисоціації оксиду.
Для того, щоб викликати термічну дисоціацію оксиду, необхідний нагрівання до температур, при яких тиск його дисоціації був би дещо вищим за парціальний тиск кисню в нейтральному газовому середовищі або у вакуумі, в яких виробляється пайка. Значення необхідного вакууму для дисоціації оксидів деяких металів наведено у таблиці 2.
Малюнок 19. Гнучкість дисоціації оксидів.
Тиск при рівновазі, мм рт. Ст (торр)
При заданій постійній температурі зменшення парціального тиску до значень нижче пружності дисоціації оксиду також призводить до дисоціації оксидів. Отже, створюючи відповідні умови нагрівання при пайці та видаляючи продукти дисоціації, можна повністю розкласти оксиди металів, що беруть участь у формуванні паяного шва.
Міцність зв'язку елементів в оксидах металів може бути оцінена і по теплотах їх утворення. Оксиди благородних металів мають найменшу міцність зв'язку та легко розкладаються при нагріванні. Оксиди таких металів, як титан, алюміній, магній мають високу міцність зв'язку, і дисоціація їх пов'язані з значними труднощами.
У металевих сплавах, де поверхнева плівка складається з багатьох оксидів металів, міцність зв'язку елементів в оксидах орієнтовно може бути оцінена міцністю зв'язку в найбільш стійких оксидах.
За зростанням міцності зв'язку в оксидах, що найбільш широко застосовуютьсяу техніці метали, можна розмістити у такому порядку: Cu, Ni, Co, Mo, Fe, W, Cr, Mn, Si, Ti, Al.
Стійкість оксидів залежить від температури. При нагріванні на повітрі вище за певну для кожного оксиду температури, вони розкладаються з виділенням кисню. Зазначимо, що більшість металів, температура повного розкладання його оксиду істотно перевищує температуру плавлення самого металу (табл. 3).
Температура повного розкладання оксиду повітря, °С
Температура плавлення відповідного металу, °С
На практиці активування поверхонь за рахунок дисоціації оксидів досягається застосуванням у технологічних процесах обробки нейтральних газових середовищ із низьким парціальним тиском кисню (аргон, гелій) та вакууму.
Одним із способів зниження парціального тиску кисню в робочому обсязі установок або контейнерах є введення в них металів-гетерів або металів з високою пружністю парів. Як метали-геттери найчастіше використовують титан у вигляді компактних заготовок і у вигляді напівфабрикату у виробництві титану – титанової губки. Титан здатний за високих температур розчиняти до 40 вагових відсотків кисню.
Сутність застосування парової фази металів полягає в тому, що в робочий обсяг установок або контейнерів разом з виробами, що паяють, поміщають певну кількість металу з високою пружністю парів (або сплаву, що містить цей метал). На першій стадії нагрівання залишковий кисень в контейнері окислює поверхні паяється матеріалу і припою. При підвищенні температури в робочому обсязі установки або контейнера утворюється і поширюється атмосфера парів металу, що легко випаровується, який зв'язує кисень у хімічні сполуки, різко знижуючи його парціальний тиск і створюючи умови длядисоціації оксидів з поверхні паяного металу та припою. На малюнку 20 наведено залежності зміни концентрації кисню в технічному азоті в замкнутому обсязі контейнера з парами цинку та без них.
Рисунок 20. Зміна складу технічного азоту у контейнері
1 – зміна концентрації кисню у контейнері без цинку; 2 – зміна концентрації кисню у контейнері з парами цинку; 3 – зміна концентрації водню у контейнері з парами цинку.
Висока пружність пар деяких металів дозволяє використовувати їх для отримання безокислювальної атмосфери при контейнерній пайці і в повітряному середовищі. Так (рис. …) при введенні цинку в об'єм контейнера, заповненого повітрям, та його нагріванні утворюється газове середовище з низьким парціальним тиском кисню (масова концентрація кисню в обсязі контейнера зменшується до 30 разів).
Рисунок …Зміна складу повітряного середовища в контейнері при нагріванні в присутності цинку
Умовою застосування парової фази металу для активування поверхонь паяних поверхонь є його більш висока активність (спорідненість) до кисню, ніж у паяного металу, оскільки відновлення оксиду на поверхні паяного металу буде здійснюватися паровою фазою металу-активатора, що вводиться:
(10)
де Me' - паяний метал;
Me” – метал, який уводиться у вигляді парової фази.
Процес активування парової фазою металів найбільш ефективно протікає у вакуумі, але також можливе використання цього методу активування і без застосування вакууму, проте головною умовою в цьому випадку є обмеження паяльної камери.
Оксиди деяких металів можуть випаровуватися під час нагрівання. Так наприклад, в умовах паяння випаровуються оксиди WіMo.
">