Статья: Термодинамическое обоснование механизма действия применяемого флюса при ремонте транспортной техники

Термодинамическое обоснование механизма действия применяемого флюса при ремонте транспортной техники

Е.Д. Тулеков

Г.С. Кара

Аннотация

Приведены данные взаимодействия лантана и иттрия с оксидами алюминия и магния, описаны протекающие при этом реакции, а также изменение энергии Гиббса окислительно-восстановительных реакций при температуре пайки. Проведен термо-динамический анализ состава припоя с боридно-фторидным флюсом, применяемого в настоящее время. Выполнен анализ влияния трехбромистого бора на процесс пайки припоями, содержащими лантан и иттрий.

Ключевые слова: лантан, иттрий, оксиды алиминия, оксиды магния, энергия Гиббса, пайка, термодинамический анализ, припой, флюс, трехбромистый бор. лантан пайка окислительный

При восстановлении изношенных деталей автомобиля пайкой с применением латунных и легированных припоев, протекающих при рабочей температуре близкой к АСI, т.е. ниже температуры солидуса применяемых припоев, большое значение имеет выбор флюсов.

Практика паяния металлов показала, что среди многочисленных флюсов, применяемых для пайки сталей, наиболее активными являются боридно-фторидные флюсы типа ПВ-201 [1]. Однако даже эти флюсы недостаточно эффективны при пайке припоями, содержащими такие компоненты, как лантан или иттрий. Последние относятся к сильно активным по отношению к кислороду элементам.

Взаимодействие лантана и иттрия с оксидами алюминия и магния протекает по следующим реакциям:

(1)

(2)

(3)

(4)

Изменение энергии Гиббса окислительно-восстановительных реакций (1) и (2), рассчитанных в настоящей работе по известным термодинамическим данным, описывается уравнениями:

При температуре пайки Т = 1200 К изменение энергии Гиббса окислительно-восстановительных реакций составляет:

Аналогичные расчеты для иттрия дают:

Из этих расчетов видно, что лантан может восстанавливать из оксидов алюминий, но не восстанавливает магний, а иттрий восстанавливает и алюминий, и магний, причем достаточно энергично.

Во флюсы типа ПВ - 201 входят соединения бора, фтористый кальций и лигатура алюминий - магний - медь. При пайке сплавов, которые содержат хром, марганец и другие элементы, имеющие большое сходство с кислородом, наиболее эффективно действуют фтористый кальций, а также алюминий и магний, входящие в лигатуру. Фтористый кальций растворяет стойкие оксиды металлов, а алюминий и магний превращают оксиды, плохо растворимые в , в и , которые хорошо растворяются фторидами щелочных и щелочноземельных металлов.

Однако утверждение о том, что фториды, например , растворяют оксиды металлов при пайке, встречает со стороны некоторых авторов возражение [2, 3].

В связи с этим произведен термодинамический анализ возможности химического взаимодействия фтористого кальция с металлами и оксидами при пайке.

При восстановлении деталей пайкой по технологии, предложенной нами, приходится иметь дело со следующими металлами: и , а также с их оксидами: и

Взаимодействие перечисленных оксидов с фтористым кальцием возможно по реакции:

(5)

где: число атомов металла; число атомов кислорода.

Если эта реакция протекает, то образующийся при этом оксид кальция, являющийся сильным основанием, взаимодействовала бы с борным ангидридом, входящим в состав флюса, и перешла бы в шлак. В шлак перешли бы также и фториды металлов, большинство которых при температуре пайки являются жидкими веществами. Некоторые фториды металлов, например или , при пайке находятся даже в газообразном состоянии. Таким образом, пайка была бы возможна независимо от того, растворяются ли оксиды или нет.

Термодинамический анализ показывает, что эта реакция невозможна: изменение энергии Гиббса окислительно-восстановительных реакций при каждой реакции при температуре пайки 1200 К является величиной положительной (табл. 1).

Можно предположить, что фтористый кальций через поры и трещины проникает к поверхности чистого металла и взаимодействует с ним, в результате чего образуется фторид, диспергирующий окисную пленку, и тогда создаются условия, позволяющие осуществить пайку:

(6)

Таблица 1

Изменение энергии Гиббса при окислительно-восстановительных реакциях

Термодинамические расчеты опровергают и такое предположение: изменение энергии Гиббса окислительно-восстановительных реакций взаимодействия перечисленных выше металлов с фтористым кальцием при температуре пайки 1200 К и в этом случае имеют положительную величину (табл. 2).

Таблица 2

Изменение энергии Гиббса окислительно-восстановительных реакций взаимодействия перечисленных выше металлов с фтористым кальцием

Проведенный термодинамический анализ дает основание предполагать, что пайка легированных сталей при помощи боридно-фторидных флюсов типа ПВ-201 происходит не вследствие химических реакций, а в результате растворения оксидов фтористым кальцием.

Как было отмечено ранее, флюсы типа ПВ-201 недостаточно эффективны при пайке припоями, легированными лантаном или иттрием. Поэтому для пайки припоями, содержащими эти элементы, в состав флюса введен активатор - трехбромистый бор .

Взаимодействие со многими металлами, кроме и , исследовано в работах [4, 5]. Нами проведен термодинамический анализ влияния трехбромистого бора на процесс пайки припоями, содержащими и . В атмосфере трехбромистого бора протекают следующие реакции:

(7)

(8)

(9)

(10)

С изменением энергии Гиббса окислительно-восстановительных реакций показано:

На рисунке 1 приведены графики изменения энергии Гиббса окислительно-восстановительных реакций при изменении температуры.

При температуре 1200 К эти изменения энергии Гиббса окислительно-восстановительных реакций идут:

Рис. 1. График зависимости при взаимодействии трехбромистого бора с оксидами лантана и иттрия

Образовавшиеся по реакциям (7) - (10) и плавятся соответственно при температурах 1062 К и 1186 К, т.е. при температуре пайки 1200 К находятся в жидком состоянии и переходят в шлак.

Таким образом, введение трехбромистого бора во флюсы типа ПВ-201 позволяет успешно паять легированные стали припоями, содержащими лантан или иттрий. Механизм действия предложенного боридно-фторидно-бромидного флюса при пайке припоем, содержащим лантан, может быть представлен следующим образом:

1) лантан частично легирует композиционный слой и одновременно окисляется за счет оксидов других компонентов покрытия;

2) трехбромистый бор удаляет оксиды лантана;

3) флюс ПВ-201 удаляет оставшиеся в шве оксидные пленки;

4) графит и хром легируют паяемый материал, особенно интенсивно малоуглеродистую сталь, причем компоненты основного металла детали и проволоки могут также диффундировать в припой.

Список литературы

1. Справочник по пайке [Текст]: справочник / Под ред. И.Е. Петрунина; 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1994. - 400 с.

2. Лашко, Н.Ф. Пайка металлов [Текст] / Н.Ф. Лашко, С.В. Лашко. - М.: Машгиз, 1954. - 441 с.

3. Лашко, Н.Ф. Контактные металлургические процессы при пайке [Текст] / Н.Ф. Лашко, С.В. Лашко. - М.: Металлургия, 1977. - 192 с.

4. Есенберлин, Р.Е. Пайка и термическая обработка деталей в газовой среде и вакууме [Текст] / Р.Е. Есенберлин. - Л.: Машиностроение, 1972. - 192 с.

5. Лашко, Н.Ф. Пайка металлов [Текст] / Н.Ф. Лашко, С.В. Лашко. - М.: Машгиз, 1967. - 328 с.