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. Данные по теплоте образования и температуре диссоциации окислов в атмосфере воздуха приведены в табл. 10.
Таблица 10. Теплота образования и температура разложения окислов в атмосфере воздуха некоторых металлов, нашедших применение в практике пайки.
Окисел | Теплота образования, ккал/моль | Температура полного разложения, °С | Окисел | Теплота образования, ккал/моль | Температура полного разложения, °С |
РtО2 | - | 300 | РbО | -13,7 | 2348 |
Ag2O | 7,3 | 300 | NiO | 57,5 | 2751 |
Au2О | -19,3 | 260 | ZnO | 83,2 | 3817 |
CdO | -61,1 | 900 | FeO | 64.3 | 3000 |
Си2О | 40 | 1835 | МпО | -34,6 | 3500 |
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.
Зависимость упругости диссоциации от температуры выражается уравнением:
где Qv - теплота диссоциации окисла на 1 моль кислорода; pО2 - упругость диссоциации окисла; Т - температура К.
На основании этой формулы построены (показанные на рис. 1) 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.
Очевидно, что при пайке в вакууме процесс диссоциации окислов не является единственным процессом, приводящим к удалению окисных пленок с паяемой поверхности.