Взаимодействие сплава АМц с кислородом

Окисление алюминия в атмосфере чистого кислорода следует отнести к идеальной схеме окисления; такие условия можно создать только искусственным путем. Этот механизм окисления характерен образованием наиболее простых окисных пленок, не содержащих влаги.

При контакте чистой поверхности алюминия с кислородом происходит адсорбция молекул кислорода на поверхность алюминия. В первые 15 мин количество адсорбированного кислорода прямо пропорционально времени, затем скорость адсорбции уменьшается; через 30—40 мин количество адсорбированного кислорода составляет примерно 3,1·10¹⁵ молекул на 1 см², и дальнейшая адсорбция кислорода на поверхность алюминия прекращается.

При взаимодействии атомов поверхностного слоя алюминия с молекулами кислорода происходит диссоциация молекул кислорода на атомы О₂ → О⁰ + О⁰. В атомарном состоянии кислород, взаимодействуя с алюминием, присоединяет нелокализованные электроны поверхностного слоя металла и образует оксид алюминия А1₂О₃.

Образующийся на алюминии оксид на первой стадии имеет неупорядоченное ионное строение и является аморфным. Последующее окисление алюминия и наращивание оксидной пленки некоторое время происходит аналогично описанной выше. После достижения некоторой предельной толщины дальнейшее окисление алюминия прекращается. Со временем происходит упорядочение химических связей и ионной структуры, намечается образование кристаллической решетки и переход аморфного оксида в кристаллический. Окисление алюминия в атмосфере сухого воздуха аналогично окислению алюминия в чистом кислороде.

Для пайки важен процесс окисления алюминия в интервале времени между подготовкой поверхности и пайкой. В период хранения и сборки обработанные детали находятся в обычной атмосфере цеха, в которой содержится ~4% влаги. Поэтому формирование оксидной пленки на воздухе после химического травления или механической обработки можно рассматривать как типичный случай окисления алюминия во влажной атмосфере.

Образование естественной оксидной пленки на алюминии при соприкосновении металлической поверхности алюминия с кислородом воздуха происходит очень быстро. Оксидная пленка уже в течение первых нескольких секунд достигает определенной толщины, а затем ее рост замедляется (рис. 1.5), продолжается в течение 70—80 дней и в дальнейшем прекращается. Ниже показано изменение толщины окисной пленки в течение времени при атмосфере с относительной влажностью 45—55 %:

Рисунок 1.5 - Рост толщины оксидной пленки на алюминии

Образование на поверхности металла слоев оксида алюминия сравнительно небольшой толщины и отношение объема оксида алюминия к объему окислившегося металла, равное 1,214, указывает на сплошность покрывающей металл оксидной пленки и отсутствие пор и трещин в первоначально образовавшемся слое оксидной пленки, через которые кислород воздуха мог бы проникать в металл. Это приводит к тому, что взаимодействие кислорода воздуха с алюминием осуществляется благодаря взаимной диффузии кислорода и алюминля через оксидную пленку. После достижения определенной толщины (3— 3,5 нм) оксидная пленка служит непреодолимым препятствием для диффузии атомов кислорода и металла навстречу друг другу. Толщина образующегося оксидного слоя (нм) может быть вычислена по формуле

δ =Р · 0,213/(γκ), (1.1)

где Р — увеличение массы образца; γ — плотность пленки; κ — коэффициент шероховатости поверхности, который для алюминиевых сплавов с обычным состоянием поверхности можно принять равным 2.

Исследования оксидной пленки алюминия с помощью электронного микроскопа свидетельствуют о наличии пор в наружном слое оксидной пленки, образовавшемся позднее. Диаметр пор достигает 5—10 нм. Естественная оксидная пленка на алюминиевых сплавах прозрачна, а потому невидима. Прочное сцепление (адгезия) оксидной пленки с алюминием вызвано тем, что ей свойственна кубическая структура, характерная для γ — А1₂О₃. Параметр решетки γ — А1₂О₃ равен 0,79 нм и почти точно соответствует удвоенному параметру ГЦК решетки алюминия (0,808 нм), поэтому решетка γ — А1₂О₃ является как бы продолжением решетки алюминия. Оксид алюминия γ — А1₂О₃ температурой плавления (2050°С). Это значит, что в момент разрушения или удаления окисной пленки при пайке она всегда находится в твердом состоянии. Температура плавления алюминия 658° С.

При пайке изделий в печи с флюсами интенсивному образованию оксидной пленки препятствуют флюсы, которые в какой-то мере защищают металл от окисления в процессе нагрева до температуры плавления флюса (обычно 400—450° С), а затем начинают разрушать оксидную пленку.

В качестве легирующих элементов сплава АМц выступают марганец, медь, кремний, цинк. Легирующие элементы и примеси в алюминии существенно влияют на структуру и свойства оксидной пленки на поверхности металла.

Значительное окисление меди, марганца, кремния в условиях хранения в течение 1—3 суток деталей после подготовки поверхности под пайку маловероятно и возможно лишь в том случае, если эти элементы служат основой сплава.

О прочности оксидов различных металлов и их сродстве к кислороду можно судить по упругости диссоциации оксидов. Упругость диссоциации оксида определяется парциальным давлением кислорода, при котором наблюдается равновесие реакции

2МеО ↔ 2Ме + О₂.

Оксид тем устойчивее и сродство металла к кислороду тем больше, чем меньше значение упругости диссоциации окисла. Упругость диссоциации оксида алюминия очень мала. Парциальное давление кислорода для оксида алюминия при температуре 600°С ~10^-42Па, что свидетельствует о трудности восстановления и невозможности диссоциации окисла алюминия за счет нагрева его в вакууме или в атмосфере аргона при пайке.

Оксид алюминия не растворяется в жидком алюминии и не образует твердых растворов с алюминием. Содержание кислорода в алюминии высокой чистоты составляет 0,0015—0,0003 % по массе. В жидком алюминии кислород присутствует только в виде А1₂О₃.

Окисная пленка алюминия является диэлектриком. При подготовке поверхности под пайку замер контактного сопротивления иногда в какой-то мере позволяет косвенно судить о толщине окисной пленки. Электросопротивление окисла А1₂О₃ равно 10 Ом·м.

Коэффициент линейного расширения в интервале температур 0—600° С для оксида алюминия равен (6—8) 10 ^-60 С ^-1, для алюминия 23 · 10 ^-60 С ^-1, т. е. у окисной пленки он примерно в 3 раза меньше, чем у алюминия и его сплавов. Это важно для осуществления бесфлюсовой пайки алюминия легкоплавкими припоями, так как при нагреве деталей в процессе пайки ввиду разности коэффициентов линейного расширения основного металла и окисной пленки на последней образуются трещины, через которые, очевидно, и осуществляется контакт расплавленного припоя с паяемым металлом.

Приведенные выше данные позволяют сделать вывод, что присутствующая на поверхности алюминия и его сплавов окисная пленка препятствует образованию контакта жидкого расплавленного припоя с паяемым металлом. Для обеспечения физического контакта припоев с паяемым металлом необходимо каким-либо образом разрушить окисную пленку на металле в процессе пайки и защитить паяемый металл от окисления.[5]

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: