Для удаления окисных пленок с поверхности основного металла и припоя в процессе пайки применяют флюсы, активные газовые среды, вакуум. Однако в ряде случаев эти средства оказываются недостаточными, особенно при наличии на поверхности взаимодействующих металлов стойких пленок, содержащих окислы хрома, титана, алюминия.
Поэтому для улучшения условий смачивания и формирования спая в состав припоев вводят компоненты, продукты взаимодействия которых при пайке выполняют роль флюсов.
В качестве таких компонентов применяют бор, фосфор, кремний, германий, барий и щелочные металлы: литий, калий, натрий. Для этих целей могут быть использованы также и другие щелочные и щелочноземельные металлы.
Процессы самофлюсования при пайке на основе современных представлений связаны:
1) с восстановительными свойствами основы припоя и легирующих компонентов в нем, они взаимодействуют с окислами основного металла по реакции:
где МеО - окисел основного металла; Р - раскислитель;
2) с флюсующей ролью окислов, образующихся при окислении раскислителя так протекают процессы флюсования при пайке с применением окисных флюсов типа стекол, а также флюсов, содержащих окислы в качестве активного компонента;
3) с разрушением окисной пленки под действием расплава припоя в результате проявления механизмов: адсорбционного понижения прочности, диспергирования и последующего растворения окислов в расплаве.
При протекании реакций по первому и второму механизмам можно оценить возможность смачивания по изменению изобарных потенциалов. Изменение изобарного потенциала реакции по первому механизму:
При анализе различных систем найдено, что если ΔZ имеет большую положительную величину (порядка 80-100 ккал/г-атом 02), то краевой угол мало отличается от 180°. Работа адгезии составляет (1÷3)10-5 дж/см2 и близка по величине к Ван-дер-Ваальсовскому взаимодействию; смачивание отсутствует.
При отрицательных значениях ΔZ (порядка - 5 до -10 ккал/г-атом 02) краевой угол уменьшается до 20-30°.
Такой подход позволяет определить возможность смачивания и последующего взаимодействия по первому и второму механизмам, но не позволяет оценить интенсивность удаления окисной пленки по третьему механизму, который протекает наиболее активно и вносит существенный вклад в процесс самофлюсования.
При пайке в условиях, не способствующих проявлению действия первого и второго механизмов или способствующих их малому проявлению (пайка несамофлюсующими припоями в нейтральных газовых средах и вакууме), ведущую роль играет адсорбционный эффект и диспергирование окисной пленки под действием расплава припоя.
Определенный вклад в отслаивание окисной пленки вносят напряжения I и II рода, имеющиеся на границе основной металл-окисная пленка, а также напряжения, связанные с диффузией малорастворимых в окисной пленке атомов припоя.
Упругие искажения на границе основной металл - окисная пленка и наличие дислокации несоответствия на этой границе также способствуют растворению основного металла в расплаве припоя и, таким образом, отслаиванию окисной пленки.
При пайке в восстановительной среде дополнительно к указанным механизмам накладывается восстановление окисной пленки. При пайке, например, армко-железа в водороде при температурах 1100, 1150 и 1200°С и выдержках 10, 30 и 60 с обнаружено, что с повышением температуры пайки и времени выдержки растворяющее действие припоя по отношению к окисной пленке основного металла усиливается.
Даже в тех случаях, когда армко-железо перед пайкой специально окислялось, в водородной среде окисная пленка быстро удаляется даже при минимальной температуре пайки и выдержке в течение 10с. В этой же среде на стали СтЗ растворение окисной пленки в припое происходит более медленной легко прослеживается зависимость скорости ее удаления от температуры пайки и времени выдержки.
Как видно на рис. 19, окисная пленка, перешедшая в расплав припоя, приобрела мелкодисперсную зернистую структуру. Исследование зерен окисной пленки на микрорентгеновском анализаторе МАР-1 показало, что в их состав входит 89% железа и 6,6% меди, что свидетельствует о том, что отдельные зерна восстановились до металла и произошло насыщение их медью.
Рис. 19. Микроструктура шва при пайке стали СтЗ медью в водороде. Температура пайки 1120°С, выдержка 0,5 мин; Х200.