Одним из способов снижения парциального давления кислорода в системе при безокислительном нагреве является совместное использование вакуума и паров легко испаряющихся элементов.

Основным преимуществом газообразных флюсов является отсутствие твердых остатков на паяных деталях, поэтому отпадает необходимость промывки их после пайки, применение газовых сред облегчает механизацию и автоматизацию процесса пайки.

Механизм флюсования при использовании газообразных флюсов заключается в следующем.

Боргалоидные соединения (ВГ₃, где Г – галоид – фтор, бром, хлор), используемые как газообразные флюсы, могут дать два типа реакции:

1. с образованием галогенида металла и окиси бора:

МеО_ок + ВГ₃ = МеГ₃+ В₂О₃

2. с образованием галогенида металла и триборокиси галогенида:

МеО_ок + ВГ₃ = МеГ₃+ (ВОF)₃

Например, при пайке нержавеющих сталей или жаропрочных сплавов при Т_п=1050 - 1150 ^ОС происходит реакция взаимодействия с компонентами оксидной пленки на поверхности паяемого металла с образованием газообразной фторокиси бора (ВОF)₃:

Cr₂O₃ + 3BF₃ = 2CrF₃ + (ВОF)₃

3MgO + 3BF₃ = 3MgF₂ + (ВОF)₃

3SiO₂ + 6BF₃ = 3SiF₄ + 2 (ВОF)₃

При недостаточном количестве трехфтористого бора в зоне пайки протекает реакция:

Cr₂O₃ + 2BF₃ = 2CrF₃ + В₂О₃

Газообразная фторокись бора легко удаляется; твердые остатки В₂О₃ и CrF₃ образуют легкоплавный шлак, не препятствующий смачиванию основного металла.

Для пайки используют следующие газообразные флюсы: BCl₃ (треххлористый бор); BBr₃ ( трехбромистый бор); PCl₃ (треххлористый фосфор).

Треххлористый бор BCl₃ образует при пайке некоторых металлов остатки сажистого бора, препятствующие контакту жидкого припоя с паяемым металлом: Ме + BCl₃ = MeCl₃+ B. Подобная среда не подходит для пайки алюминия, хотя его хлорид AlCl₃ при температуре 182C является газообразным веществом.

Газообразный флюс BBr₃ – более активное соединение, чем BCl_3, реагирует практически со всеми оксидами, однако в его атмосфере нельзя паять некоторые металлы (Al, Mg, Ti), так как образуются твердые продукты реакции. Газообразный флюс BBr₃ можно использовать как для высокотемпературной, так и для низкотемпературной пайки легированных сталей и жаропрочных сплавов.

Газообразный флюс PCl₃ взаимодействует с оксидной пленкой на поверхности паяемого металла по реакции: МеO_ok + PCl₃ = MeCl₃+ P₂O.

Продукты реакции – хлориды – жидкие и газообразные вещества; триокись фосфора – жидкая. Возможно пайка алюминия, однако подобная среда не подходит для пайки магния, так как образуются тугоплавкие соединения хлористого магния (T_пл = 714C).

Для низкотемпературной пайки в качестве добавки в активную или нейтральную газовую среду используют хлористый аммоний, который разлагают при температуре T_Р = 350C:

2NH₄Cl = N₂ + 3H₂ + 2HCl .

Используют для пайки меди, латуни, никеля, низкоуглеродистых сталей припоями ПОС – 61.

Для пайки меди используют газовую среду, состоящую из 68,72% N₂; 8 – 11% CO; 0.1 – 1% NH₄Cl. Такую смесь газов получают путем неполного сгорания природного газа после добавления в него воды с растворенным хлористым аммонием NH₄Cl.

Эффективной является среда сухого водяного пара, активированная NH₄Cl (0,05 об %). Такая среда может быть использована и как активная газовая среда, и как теплоноситель, применяется, например, для пайки латунных автомобильных теплообменников припоем ПОССу – 30 – 2.

Как восстанавительные газовые среды используют водород, окись углерода, газовые смеси. Чаще всего используют в качестве восстановительной газовой среды диссоциированный аммиак: при в присутствия катализатора аммиак диссоциирует на водород и азот:

2NH₃ Û N₂ + 3H₂

Смесь, которая образуется при диссоциации аммиака, состоит из одной части азота и трех частей водорода и используется для пайки низкоуглеродистых сталей. Восстановительными свойствами обладает только тщательно очищенный аммиак. Наличие даже следов влаги вызывает обезуглероживание поверхности стали и снижает восстановительные свойства смеси.

Такие смеси также взрывоопасны, поэтому их частично сжигают в воздухе или смешивают с азотом; получаемые таким путем смеси следует тщательно осушить и очистить от примесей кислорода (кислорода – не более 0,005 %, влаги – не более 0,03 г/м³).

При пайке сталей в восстановительной газовой среде происходит следующая реакция: Fe₃C + 2H₂ = 3Fe + CH₄. Водород взаимодействует с углеродом стали по указанной реакции, в результате образуется летучий метан и обезуглероживается сталь.

Кроме водорода и продуктов диссоциации аммиака, применяют продукты неполного сгорания смеси воздуха с высококалорийными газами (городским и генераторным газом, природным газом, пропаном в баллонах, водяным паром); используют продукты неполного сгорания газов, получаемых на газовых станциях, работающих на торфе.

Получение защитного газа в печи при сгорании смеси выгоднее по сравнению с использованием его в готовом виде, так как выделяемая теплота при сгорании используется при пайке.

Широко используются таким образом полученную газовую среду в мелкосерийном производстве для пайки низкоуглеродистых и низколегированных сталей медью. Относительно низкое содержание Н₂ и СО не допускает их использование при пайке сплавов, содержащих легко окисляющиеся элементы.

К нейтральным газовым средам, которые выступают в роли защитной атмосферы, относятся аргон, гелий, азот.

Нейтральная среда используют при пайке нержавеющих и жаропрочных сталей, вольфрама, титана.

Аргон – одноатомный газ с плотностью 1,78 кг/м³; образуется как побочный продукт при получении кислорода из воздуха. Состав аргона выбирают в зависимости от активности паяемого металла и припоя к кислороду. Пайку в аргоне выполняют преимущественно в контейнерах (твердых и мягких, герметизированных сваркой или резиновым уплотнением). При введении аргона под некоторым давлением в контейнер часть кислорода вместе с воздухом вытесняется и парциальное давление кислорода в контейнере становится меньше, чем в окружающей среде, в результате происходит диссоциация окислов и, следовательно, становится возможной пайка.

Гелий – одноатомный инертный газ плотностью 0,078 кг/м³. Содержится в природных газах, из которых и добывается. Обеспечивает высокое качество паяных изделий из большинства конструкционных материалов, но его стоимость высока и широкого применения гелий не находит.

Азот – двухатомный газ плотностью 1,251 кг/м³; при комнатной температуре инертен, при нагреве до высоких температур вступает во взаимодействие со многими металлами.

В чистом виде применяют при пайке меди и сталей: в потоке сухого азота окислы меди разлагаются при 740 – 750 ^ОС вместо 2000^ОС при нагреве в воздухе. Следовательно, безфлюсовая пайка меди в атмосфере азота возможна при Т_п =750 ^ОС.

Пайка сталей в атмосфере азота, особенно нержавеющих, происходит при температуре Т_п =1200 ^ОС. Процесс пайки происходит примерно так же, как в аргоне, однако некоторые стали взаимодействуют с азотом с образованием на поверхности твердого азотированного слоя, обладающего высокой хрупкостью. Это обстоятельство ограничивает применение азота для пайки высоконагруженных тонкостенных изделий, особенно подвергающимся вибрационным нагрузкам при эксплуатации, а используют из – за его низкой стоимости, при пайке толстостенных деталей, для которых поверхностное азотирование не оказывает существенного влияния на прочность.

Диссоциация оксидов в газовых средах с пониженным парциальным давлением кислорода может стать возможной и вследствие растворения кислорода в паяемом металле.

При этом, при условии прекращения доступа кислорода к поверхности паяемого металла, может произойти разрушение оксидов в результате постепенного растворения кислорода оксидов в основном металле.

Итак, значительно уменьшить парциальное давление кислорода в газовой среде можно двумя путями: заполнением пространства, окружающего изделие, инертным газом, и созданием вакуума с определенной степенью разрежения.

Пайку рекомендуется проводить в высоком или в среднем вакууме (граница между высоким и средним вакуумом лежит при давлении . Область давления ниже относится к низкому вакууму, который для пайки не применяется.

Средний вакуум от используют для пайки сталей, бронз, никелевых сплавов, титановых сплавов при температуре пайки Т_П = 1100 – 1200 ^ОС. Высокий вакуум используют для пайки титана, циркония, ниобия, тантала. Оборудование для пайки в вакууме сложное и дорогое, это ограничивает возможность этого способа, особенно при пайке крупногабаритных изделий; при необходимости пайки крупногабаритных изделий из активных металлов вместо высокого вакуума используют средний с предварительной неоднократной промывкой контейнера или печи аргоном.

При пайке в вакууме происходит диссоциация окислов на поверхности паяемого металла. По возрастанию сродства к кислороду элементы можно расположить в следующем порядке:

Cu, Ni, Co, Mo, Fe, W, Cr, Mg, Si, Ti, Al.

Окислы Al, Mg, Ве имеют очень высокую прочность связи элементов в окислах и диссоциация их протекает трудно.

Сущность автовакуумной пайки состоит в том, что в контейнер вместе с паяемым металлом вводят некоторое количество низко кипящего или легко возгоняемого металла и после предварительной откачки воздуха нагревают контейнер. При этом в контейнере остается ограниченное количество кислорода, определяемое внутренним объемом контейнера и остаточным давлением кислорода в нем. Образующиеся в контейнере пары низко кипящего металла связывают весь свободный кислород, имеющийся в камере. Вакуум способствует ускорению процесса.

Пары высокоактивных металлов в вакууме могут существенным образом влиять на процессы пайки: восстанавливать оксиды на поверхности паяемого металла, связывать остатки кислорода и влаги в атмосфере, которая окружает изделие, предотвращать или уменьшать испарение одноименного металла из жидкого припоя, насыщать жидкий припой соответствующим компонентом, принимать участие в контактном твердо – жидком плавлении. К металлам, которые вводятся в рабочее пространство вакуумной печи и испаряются при пайке, относятся магний, висмут, кадмий, цинк, литий. Литий используют при пайке алюминия. Марганец, цинк, литий используют при пайке сталей медными припоями. Испарение висмута, магния, лития, цинка, кадмия способны связывать остатки кислорода, а испарение лития, магния, цинка – связывать воду.

В качестве защитной среды при пайке в парах высокоактивных металлов можно использовать низкий вакуум.

Возможности пайки в вакууме и инертных газах могут быть расширены при использовании самофлюсующих припоев, легированных литием, бором, фосфором, лантаном, германием, барием, калием, натрием, кремнием.