ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Взаимодействие газовых сред с металлами из "Физико-химические процессы при пайке" В условиях пайки взаимодействие металлов с газами может происходить в процессе подготовки элементов изделия к пайке, при нагреве, выдержке и охлаждении. Если пайка производится в атмосфере воздуха, то незащищенные от влияния окружающей среды поверхности деталей окисляются. Стали, кроме того, обезуглероживаются на различную глубину в зависимости от температуры и состава газа. При пайке в атмосфере водорода, диссоциированного аммиака, азота, аргона, гелия, продуктов сгорания естественных или промышленных газов одновременно с процессом удаления окисной пленки с поверхностей основного металла и припоя могут происходить взаимодействия металлов с компонентами газовых сред, а также с неизбежными примесями в них в виде кислорода и паров воды. Начальной стадией этого взаимодействия является адсорбция, которая происходит в условиях, когда для газов характерна большая подвижность и неупорядоченность частиц, а металлам, наоборот, свойственна жесткая закрепленность и упорядоченность частиц. Молекулы газа, хаотично перемещаясь, попадают в сферу действия положительно заряженных ионов внешней грани кристаллов металла, в результате чего они адсорбируются поверхностью, располагаясь в определенном кристаллографическом порядке. [c.123] Приведенная зависимость не учитывает упругость паров металла. Влияние последней особенно надо учитывать при нагреве в газовых средах таких металлов, как Мд, Мп, 2п, А1, упругость паров которых при температуре плавления составляет соответственно 2,92 1,2 0,21 1,6 10 н1м (2,2 0,904 0,16 и 1,2-10 мм рт. ст.) [16]. [c.124] Из процессов взаимодействия газов с металлами, наряду с окислением, наибольшее внимание заслуживает наводороживание и азотирование. [c.125] Кислород расположен в периодической системе элементов Д. И. Менделеева в шестой группе перед инертными газами. У атомов кислорода последняя электронная сфера не заполнена двумя электронами, поэтому они стремятся заполнить ее и приобрести устойчивую конфигурацию. [c.125] Атомы металлов, наоборот, способны легко терять электроны, находящиеся во внешнем слое. В простейшем случае, например, в приведенном выше примере, при взаимодействии атома трехвалентного алюминия и атомов кислорода последние захватывают три электрона у атома металла, достраивая свои внешнии слои до устойчивой восьмиэлектронной структуры. [c.125] Образование первичной окисной пленки на металлах происходит практически мгновенно. Так на поверхности меди пленка толщиной около 5 А образуется в течение нескольких секунд даже при температуре жидкого азота. [c.125] Образование аморфных или кристаллических первичных пленок зависит не только от физико-химической природы окисляемого металла, но и от условий их образования. На одном и том же металле в зависимости от температуры могут образовываться как аморфные, так и кристаллические первичные пленки. Причина аморфности или кристалличности кроется в энергетических условиях на поверхности и внутри пленок. [c.126] В образовании первичной пленки определяющую роль играют энергетические условия на поверхности кристаллов окисляющихся металлов. Согласно исследованиям, проведенным на монокристаллах, обнаружено, что образующаяся на металле первичная кристаллическая пленка имеет четкие соотношения между ориентацией кристаллов металла и кристаллов пленки. Так, оси кубических решеток в закиси-меди СпгО и в меди параллельны. Для железа также существуют ориентационные соотношения между кристаллами металла и кристаллами окисной пленки. Эти данные свидетельствуют о том, что при окислении металлам свойственна тенденция к сохранению в окисных пленках своей собственной атомной структуры. При этом, чем тоньше окисная пленка, тем полнее сходство в ориентации кристаллов металла и кристаллов пленки. При дальнейшем окислении с увеличением толщины пленки совершенство ориентации кристаллов постепенно теряется, в структуре пленки происходят превращения, в результате которых образуются обычные окислы с присущими им параметрами кристаллической решетки и плотностью. [c.126] Так как окисные пленки на металлах имеют кристаллическую структуру, обладающую ионной, а также электронной проводимостью, то при диффузии через пленку перемещаются не непосредственно атомы металла, а ионы металла и свободные электроны. Возможно также образование ионов кислорода на внешней поверхности пленки вследствие ионизации проходящими со стороны металла электронами. Образующиеся при этом ионы кислорода диффундируют в сторону металла. В процессе роста окисной пленки не исключена возможность также и атомарной диффузии. Поскольку радиусы ионов металлов значительно меньше радиусов атомов, то можно предполагать, что со стороны металла через окисную пленку в основном движутся ионы и электроны. С внешней же стороны окисной пленки наиболее вероятно движение не ионов кислорода, а атомов, так как радиус аниона кислорода в два с лишним раза больше его атома. [c.127] В процессе диффузии ионы металла и кислорода перемещаются путем замещения свободных вакансий, а электроны путем замещения электронных дырок . При высоких температурах вакансии могут также переходить с места на место, так как положительный или отрицательный ион, перемещаясь в вакантное место, создает новое положение вакансии. Таким образом, механизм роста окисной пленки на поверхности металла связывают с миграцией ионов и вакансий в кристаллической решетке окислов. [c.127] Двусторонний характер диффузии в процессе образования окисной пленки подтвержден экспериментальными данными. Так, при окислении железа и его низколегированных сплавов при температуре выше 900° С установлено, что кислород диффундирует через окисную пленку к металлу, образуя на границе с ним низшие окислы. В то же время металл диффундирует через пленку, на поверхности которой происходит наслоение высшего окисла. [c.127] Металлы, у которых отношение объема Уок к объему металла Уме, из которого образовался окисел, меньше единицы, т. е. [c.128] Или после интегрирования. [c.128] Таким образом, для металлов, не образующих при окислении защитной пленки, скорость роста окисной пленки нропорциональпа времени окисления. Следует иметь в виду, что линейный закон роста устанавливается через некоторое время после начала окисления, когда пленка достигнет некоторой критической величины. Линейный характер роста окисной пленки наблюдается для щелочных и щелочноземельных металлов, а также таких металлов, как ванадий, молибден, вольфрам, образующих окислы, легко испаряющиеся при нагреве. [c.129] Параболическая зависимость наблюдается при окислении железа, меди, никеля. Как и в случае линейной зависимости, параболический закон не соблюдается для начальных стадий окисления, когда пленка еще тонка. [c.129] Пленки, образующиеся на металлах в результате окисления, делятся на тонкие, средние и толстые. Тонкими принято считать невидимые пленки от мономоле-кулярных до 400 А, средними от 400 до 5000 А и толстыми выше 5000 А (0,5 мкм). [c.130] Для осуществления процесса пайки металлов большое значение имеет не только толщина, но и свойства окисных пленок. При одних и тех же толщинах прочность связи пленки с основным металлом значительно усиливается, если произойдет внутреннее окисление металла под слоем пленки. С другой стороны, способность окисной пленки взаимодействовать при нагреве с основным металлом, а также с расплавленным припоем, положительно влияет на характер протекающих при пайке процессов. Так, некоторые окислы, например, железа, титана, способны образовывать с металлами ограниченные твердые растворы, что облегчает их удаление. Плотные, прочно связанные с металлом пленки с трудом удаляются с поверхности металла, осложняя процесс пайки. Чем менее компактна окисная пленка, чем слабее ее связь с металлом, чем менее устойчива она при нагреве, тем меньше затруднений возникает в процессе удаления ее при пайке. [c.130] Согласно принципу Ле-Шателье с повышением температуры данное равновесие должно смещаться в сторону образования свободных водорода и кислорода. Однако даже при 2000° С степень диссоциации воды составляет всего 1,8%- Поэтому при высокотемпературной пайке сталей, которая обычно протекает при нагреве не выше 1200—1300° С, значительной термической диссоциации паров воды не происходит. [c.131] Выделяющийся при этих реакциях водород частично поглощается металлами. [c.133] При гальваническом покрытии выделяется водород, который в атомарном состоянии может диффундировать в металл. [c.133] Вернуться к основной статье