Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
При высоких температурах нагрева имеющаяся в зоне пайки вода разлагается по реакции:
2H205^2H2-{-02-f-575,3 кдж (136,8 ккал).
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.
Образование водорода в результате восстановления или диссоциации водяного пара может происходить в процессе пайки по реакции [17]:
Me + Н20 -* Ме„От + [Н]„е + Н2,
где [Н]ме — растворенный в металле водород.
Это взаимодействие протекает при разных температурах, зависящих от природы и состояния металлов. Так, компактный титан реагирует с парами воды при нагреве выше 600° С, а титановая губка — выше 350° С. Наиболее активно взаимодействуют с парами воды расплавленные металлы, при этом выделяющийся водород поглощается металлом. Количество поглощаемого водорода зависит от легирующих добавок и загрязнений, воздействующих на строение решетки металла. Влияние растворимости водорода в расплавленной меди от количества содержащихся в ней примесей показано на рис. 35. Таким образом, в процессе пайки водородом в первую оче-
5!
131
редь насыщается расплавленный припой. Соответствующим легированием припоя растворимость в нем водорода можно снизить.
В ходе реакций между металлами и парами воды при высоких температурах возможно образование как молекулярного, так и атомарного водорода. В молекулярном
§
t
I
I
I-
У
О 20 W 50 80 100
Количество примесей 5 меди,г
Рис. 35. Влияние примесей в меди (на 100 г меди) на растворимость в ней водорода
состоянии водород находится только в различных полостях и несплошностях, имеющихся в металле. Непосредственно в самих кристаллах водород содержится только в атомарном состоянии.
Термическая диссоциация молекул водорода
Н25^2Н — 44Q кдж/моль (ХОб^ккал/моль)
протекает при еще более высоких температурах, чем диссоциация паров воды. Поскольку этот процесс происходит с большим поглощением теплоты, то он получает развитие только при температурах значительно выше
132
2000° С. При 2000° С степень диссоциации водорода составляет всего 0,1 %• Следует отметить, что термическая диссоциация молекул кислорода и азота требует еще более высоких температур, что свидетельствует о том, что в условиях нагрева при пайке термическая диссоциация молекул водорода, кислорода и азота практически не происходит. Она частично может иметь место лишь при применении в качестве средств нагрева при пайке элект-
Рис. 36. Зависимость степени термической диссоциации водорода, кислорода и азота от температуры при давлении 0,1 Мн/м2 (1 ат)
рической дуги или плазменной горелки. Зависимость термической диссоциации молекул водорода, кислорода и азота от температуры представлена на рис. 36.
В атомарном состоянии водород может образоваться в результате взаимодействия металлов с содержащимися в некоторых флюсах кислотами, а также при травлении в кислотах и щелочах по реакции:
Fe+ 2НС1 = FeCl2+ 2Н,
2Al + 2Na0H + 2H20=2NaA102-f 6Н.
Выделяющийся при этих реакциях водород частично поглощается металлами.
При гальваническом покрытии выделяется водород, который в атомарном состоянии может диффундировать в металл.
133
Механизм насыщения водородом металла в зависимости от его природы и внешних условий может быть различным. В общем случае процесс взаимодействия между ними проходит следующие стадии: физическую адсорбцию, хемосорбцию, диффузию и образование химических соединений. При контакте водорода с металлами на их поверхности образуется адсорбированная пленка газа. Дальнейшее взаимодействие приводит к тому, что физическая адсорбция сменяется хемосорбцией, при которой молекулы водорода распадаются на атомы, диффундирующие в массу металла. К металлам, в которые водород легко диффундирует, относятся AI, Pb, Pd, Ir, Pt, Мо, Та, a-W, Zr, Be, Ti, Re и Os. Диффузия водорода затруднена в металлы Си, Ag, Аи, Li, Na, К, Pb, Cs, Ва, a-Cr.
Зависимость количества т адсорбированного металлом водорода от температуры имеет вид:
_ JL
т = Ке адг, (III.29)
где К—константа; е — основание натуральных логарифмов; Q — теплота абсорбции одного моля газа; R — газовая постоянная; Т — абсолютная температура.
Растворимость водорода в металлах зависит от давления газа. При постоянной температуре количество абсорбированного водорода пропорционально давлению
m = (III.30)
где К — константа.
При переходе металлов в жидкое состояние растворимость резко повышается. В несколько меньшей степе-
ни она увеличивается при аллотропических превращениях. С повышением температуры растворимость водорода в жидком металле возрастает до определенного предела, после чего падает, обращаясь в нуль при температуре кипения металла.
Абсорбция водорода металлами может протекать с поглощением и выделением теплоты. В соответствии с этим первая называется эндотермической, а вторая экзотермической.
