Флюсование при пайке

Наличие оксидной пленки на поверхности основного металла и расплавленного припоя препятствует их взаимодействию. Для удаления пленки при пайке применяют флюсы, самофлюсующие припои, контролируемые газовые среды, вакуум, физико-механиче­ские средства. Чаще используют флюсы, применение которых было известно уже в древности.

Перед пайкой или в процессе ее на соединяемые поверхности металлов и припой наносится флюс в виде водных, спиртовых «глицериновых растворов, паст или в порошкообразном состоя­щий.

Различные физико-химические свойства соединяемых пайкой металлов и сплавов приводят к образованию на их поверхностях различных пленок. Поэтому были созданы разнообразные флюсую­щие композиции. Наиболее универсальными для высокотемператур­ной пайки конструкционных материалов являются флюсы на ос­нове тетраборнокислого натрия Na₂В₄О₇ (обезвоженная бура) и борной кислоты Н₃ВО₃, для низкотемпературной пайки - флюсы на основе хлористых цинка ZnС1₂ и аммония NН₄С1.

Флюс должен обладать:

1) температурой плавления на 50—100°С ниже температуры плавления припоя;

2) хорошей растекаемостью по поверхности основного металла и припоя для образования сплошной пленки, защищающей эти поверхности от вредного воздействия окружающей среды;

3) способностью снижать поверхностное натяжение расплавлен­ного припоя и обеспечивать полное смачивание соединяемых по­верхностей металлов;

4) стабильностью свойств на протяжении всего процесса пайки;

5) простотой удаления с поверхностей деталей после пайки.

Известно небольшое число химических веществ, которые удов­летворяют перечисленным требованиям. К ним можно отнести флюсы на основе буры и хлористого цинка.

Большинство флюсов состоит из нескольких химических ве­ществ, например, флюс 34А для пайки алюминия и его сплавов состоит из четырех компонентов: КС1 (50%), LiC1 (32%), NaF (10%), ZnС1₂ (8%).

Флюсы включают в себя основу, растворитель оксидных пле­нок и активное флюсующее вещество. Иногда отдельные компо­ненты флюсов выполняют несколько функций. Во флюсах для низ­котемпературной пайки в качестве основы применяют воду, спир­ты, глицерин, вазелин. При приготовлении паст за основу берут вазелин, машинное масло, воск, смолы и др. В пастообразные флюсы вводят небольшое количество фторидов, способствующих растворению оксидных пленок. В качестве активных флюсующих компонентов наряду с хлористыми цинком и аммонием в кани­фольных флюсах применяют специальные активаторы в виде анилина С₆Н₅NH₂, триэтаноламина N(СН₃СН₂O)₃, салициловой кислоты НОС₆Н₄СО₂Н и др.

В процессе пайки флюсы находятся в жидком состоянии, но, поскольку температура пайки значительно выше температуры ки­пения растворителей, они быстро испаряются. Поэтому практиче­ски при флюсовании имеют дело с расплавами.

Особенность флюса состоит в том, что он «работает» на твер­дой поверхности основного металла и на жидкой поверхности расплавленного припоя. Поэтому он должен обладать флюсую­щими свойствами как по отношению к основному металлу, так и к припою, химический состав и свойства которых различны. Это достигается специальным подбором состава флюсов или приме­нением нескольких флюсующих веществ.

Флюс должен смачивать оксидные пленки основного металла и припоя, заполняя имеющиеся в них микропоры и микротрещины и обеспечивая хороший контакт с оксидными пленками, а также растворять материал пленки. Поскольку на поверхностях деталей толщина оксидных пленок не превышает нескольких микрометров, то процессы флюсования протекают в тонких слоях на границе фаз флюс - основной металл. В этих условиях большое значение приобретают равномерность нагрева поверхностей соединяемых деталей, их чистота и высокое качество флюса. Недостаточный на­грев отдельных участков контактирующих поверхностей исключает взаимодействие соединяемых металла и флюса, что приводит к частичному сохранению оксидных пленок, служащих причиной появления непропаев.

Для качественной пайки в расплавленном состоянии флюс не должен содержать твердых частиц, которые, повышая его вязкость, затрудняют затекапие флюса в зазор и удаление из зазора. Адгезия флюса с соединяемыми металлами должна быть меньшей, чем у припоя, что достигается также подбором состава флюса.

Смачивание поверхности металла флюсом и удаление с нее оксидных пленок активизирует эту поверхность, усиливая ее взаи­модействие с расплавленным припоем в условиях, исключающих возможность окисления атмосферой окружающего воздуха. Это позволяет получить высокое качество спая.

Анализ флюсования показывает, что этот процесс связан с взаимодействием оксидных пленок или непосредственно металлов с расплавами оксидных и галлоидных флюсов. Оксидные флюсы взаимодействуют преимущественно с оксидной пленкой, а галлоидные — с основным металлом. К оксидным относятся флюсы на основе тетраборнокислого натрия, борной кислоты и их сплавов, применяющиеся главным образом при высокотемператур­ной пайке. Смачивание соединяемого металла оксидным флюсом сопровождается реакцией между оксидной пленкой этого металла МеО и оксидом флюса, например В₂О_3(ф)

МеО + В₂О_3(ф) = МеО* В₂О_3(ф)

В результате этой реакции образуется соединение, способст­вующее разрушению оксидной пленки металла и переносу ее в расплав флюса.

Галлоидные флюсы непосредственно взаимодействуют с соеди­няемым металлом. Удаление оксидной пленки в этом случае про­исходит в результате проникновения флюса в микропоры и микро­трещины и протекания реакций под ее поверхностью. Интенсифи­кации взаимодействия флюса с металлом способствует диспергирование оксидной пленки физико-механическими методами. На­пример, взаимодействие алюминия и его сплавов с флюсами, со­держащими хлористый цинк, протекает по реакции

2А1+3ZnС1₂ = 2А1С1₃+3Zn

Выделение хлористого алюминия способствует механическому разрушению (отрыву) оксидной пленки, а выделяющийся цинк, осаждаясь тонким слоем на поверхности алюминия, облегчает сплавление его с припоем.

Флюсы должны растворять оксиды всех металлов. Лучшим растворителем является тетраборнокислый натрий. Флюсование при пайке должно протекать в течение нескольких секунд. Поэ­тому для повышения растворяющей эффективности флюсов по от­ношению к оксидам металла в их состав вводятся специальные растворители в виде фторидов щелочных и щелочно-земельных металлов. Хлорид цинка разлагается в условиях пайки по реакции

ZnС1₂+Н₂О = ZnО + 2HС1

Выделяющийся в процессе реакции оксид цинка, являясь ак­тивным флюсующим веществом по отношению к меди, железу и другим металлам, связывает находящиеся на их поверхности ок­сиды и переводит их в шлак, а хлористый водород химически очищает контактную поверхность согласно реакции

МеО + 2НС1 = МеС1₂+Н₂О

Таким путем оксиды металлов переводятся в растворимые хло­риды. Кроме того, растворяясь в воде, хлористый водород обра­зует соляную кислоту, которая повышает химическую активность флюса. При пайке оксиды основного металла частично раство­ряются в хлористом цинке, а частично разрушаются механически выделяющимися газами.

Поскольку при пайке взаимодействие флюса с поверхностями металлов и припоя, а тем более с атмосферой воздуха приводит к потере его флюсующих свойств, целесообразно снижать время пайки.