Применение восстановительных газовых атмосфер для пайки основано на протекании реакций восстановления металла из окисла, кислород связывается газом-восстановителем, а получающийся продукт удаляется из камеры пайки потоком свежей атмосферы.
В качестве восстановительных газовых сред используют водород и окись углерода, а также их смеси с азотом. Очищенный от примесей паров воды и других газов водород является очень активным восстановителем и действует на окислы металлов по реакции:
Водород гораздо более активный восстановитель, чем окись углерода.
Так, например, окислы железа восстанавливаются в водороде примерно в 20 раз быстрее, чем в окиси углерода при 500° С, и в 10 раз быстрее при 300° С.
Недостатком водорода является взрывоопасность, ограничивающая его применение.
На скорость восстановления окислов металлов большое влияние оказывают кислород, попадающий в камеру пайки с газовой средой из-за подсоса воздуха, выделения кислорода из металла и т. п., а также скорость удаления продуктов реакции восстановления.
В присутствии паров воды скорость протекания этой реакции может стать равной нулю задолго до установления равновесного состава газовой фазы.
Константу равновесия реакции восстановления можно записать в виде:
Кр=рН2/рН2О
где рН2 и рН2О - парциальные давления водорода и водяного пара.
При увеличении константы равновесия, т. е. при увеличении содержания водорода в газовой среде или уменьшении паров воды, реакция смещается в сторону восстановления металла из окислов.
И наоборот, при уменьшении содержания водорода и увеличении содержания паров воды начинается окисление металла.
Повышенное содержание влаги в среде водорода требует повышения температуры пайки.
На практике парциальное давление водяного пара в газовой среде принято выражать через экспериментально определяемую точку росы.
Точкой росы называется температура конденсации влаги, содержащейся в данной газовой атмосфере. На рис. 2 приведены кривые зависимости точки росы водорода от температуры обратимых реакций восстановления окислов.
Значения точек росы и температур, расположенные правее кривых, отвечают условиям восстановления окислов, левее - условиям окисления.
Рис. 2. Зависимость точки росы водорода от температуры обратимых реакций между окислами металлов и водородом.
Косвенно, сравнивая теплоту образования окисла и водяного пара, можно получить сведения об активности восстановления водородом окислов металлов.
Если теплота образования окисла меньше, чем у водяного пара (115,6 ккал на 1 моль О2), то он восстанавливается легко, в противном случае с трудом или вообще не восстанавливается.
По данным теплот образования окислов чистых металлов можно сделать предварительное заключение о возможности пайки в восстановительной среде сплавов на их основе.
Так, сплавы, на поверхности которых образуются окислы MgO, ТiО2, А1203, ВеО, не могут паяться в водородной среде.
Сплавы, на поверхности которых образуются окислы, содержащие Сr2О3, требуют применения очень сухих восстановительных атмосфер.
Наиболее легко осуществляется в водороде пайка низкоуглеродистых сталей. Так, при температуре пайки 850° С и более точка росы должна составлять 25÷45°С.
При пайке нержавеющей стали типа 12Х18Н9Т при температурах выше 1200°С точка росы должна составлять -60°С и ниже.
Кроме указанных сталей пайке в водороде подвергают также высокоуглеродистые стали, быстрорежущие и хромомолибденовые. Температура пайки указанных сталей лежит в пределах 1180-1200°С.
Для уменьшения взрывоопасности водород обычно применяют в смеси с азотом, эти смеси значительно дешевле.
Так, при содержании 8% Н2 и менее смесь становится невзрывоопасной, но гораздо менее активной.
Азотоводородные смеси приготовляют либо путем смешения технических азота и водорода, либо путем разложения газообразного аммиака.