45. Припої і провідникові матеріали для електричних контактів: властивості і застосування.

Припої − спеціальні сплави, що застосовуються для лудіння і паяння. Пайка здійснюється метою одержання електричного контакту з малим перехідним опором, а також з метою створення механічно міцного (за необхідості – герметичного) шва. Припої поділяють на дві групи − м'які і тверді. До м'яких відносять припої з температурою плавлення до 400°С, до твердих − з температурою плавлення вище 500°С.

У повсякденному вжитку під терміном припій найчастіше розуміється лише група м'яких припоїв із діапазоном температур плавлення від 90 до 450 °C^[4]. За температурами плавлення вони поділяються на:

• особливолегкоплавкі (менше 145 °C);

• легкоплакі (від 145 до 450 °C).

Паяння з використанням таких припоїв називається м'яким або низькотемпературним. Такий тип припоїв зазвичай застосовується в електроніці, в сантехніці (при монтажі трубопровідної арматури) та при з'єднанні металевих частин із великою площею контакту (листові матеріали) і малими механічними навантаженнями. Найпопулярніші в даній категорії сплави мають температури плавлення від 180 до 190 °C. Ручне паяння м'яких припоїв здійснюється із застосуванням паяльника або паяльної лампи.

Припої з температурами плавлення вищими за 450 °C називаються твердими, і відповідно до температур плавлення поділяються на:

• середньоплавкі (від 450 до 1100 °C);

• високоплавкі (від 1100 до 1850 °C);

• тугоплавкі (більше 1850 °C).

Паяння з використанням таких припоїв називається твердим або високотемпературним, а інколи срібним. Найчастіше в якості твердих припоїв виступають сплави міді з цинком або із сріблом.

Срібний припій часто застосовується у виробництві для з'єднання металевих деталей, зварювання яких є з різних причин неможливим. Сплави, що використовуються при цьому, містять високу долю срібла (до 40%) і можуть містити кадмій.

У ювелірній справі застосовується спеціальні тверді припої, які проходять металознавчу експертизу. Вони містять високу концентрацію тих металів, для спаювання яких вони призначені і при цьому не мають в своєму складі свинцю. Ці припої різняться за твердістю і визначаються як «емалювальні», «тверді», «середні» і «легкі». Припої для емалювання мають високу температуру плавлення, дещо нижчу ніж у основного матеріалу, для запобігання невимушеного відпаювання з'єднаннь в процесі емалювання. В процесі виготовлення виробу, припої інших типів використовуються в порядку зниження степеня їх «твердості», для запобігання відпаюванню вже існуючих швів та з'єднань в процесі паяння нових ділянок. Легкий припій також часто використовується при ремонті з тих самих причин. Флюс або «ювелірні рум'яна» (оксид заліза (III), відомий як «залізний сурик») також застосовується для запобігання відпаюванню з'єднаннь.

При паянні твердими припоями необхідно застосовувати більш ефективні методи нагріву ніж звичайні паяльники. Придатним для цього електричним приладом є спеціальні кліщі для електроконтактного паяння, в яких з'єднувані деталі затискаються між вугільними електродами і через них пропускається великий струм. Також можуть використовуватися апарати газового зварювання, пристрої для індукційного плавлення вихровими струмами, а в окремих випадках і паяльні лампи.

Обираючи матеріал контактів, необхідно забезпечити виконання ряду вимог: велику механічну стійкість, високу температуру плавлення, високу теплопровідність і електропровідність, стійкість проти корозії та ерозії. Низька вартість бажана, але вона не відноситься до основних вимог. Основні вимоги — це ті, які забезпечують високу надійність. Відомі випадки, коли відмова лише одного контакту призводить до втрат, які в мільйони разів перевищують вартість цього контакту.

Перерахованим вище вимогам найбільшою мірою задовольняють срібло, золото, платина та їх сплави — вольфрам, мідь

Опір контактного переходу визначається за формулою:

R_k=a/ F^b,

де а - коефіцієнт, який залежить від матеріалу і обробки поверхні контакту; b - коефіцієнт форми контактів; F - контактне зусилля. Для точкових контактів b 0,5; для лінійних b 0,55-0,7; для площинних b 1,0.

Коефіцієнт а для міді, наприклад, знаходиться в межах від 0,07 до 0,28, тобто може змінюватись в чотири рази. Найменше значення а (і відповідно опору R_k) забезпечується при покритті міді шаром олова (лудіння). Шар олова перешкоджає виникненню оксиду, тому для луджених мідних контактів коефіцієнт а < 0,1. Великі значення а отримуються для нелуджених площинних мідних контактів, тому що вони мають місця, що покриті шаром окису. Для срібних контактів а = 0,06. Електропровідність оксиду срібла і чистого срібла майже однакова.

Для слабких контактних зусиль у високочутливих реле використовуються благородні метали (платина, золото, платиноірідій) при контактних зусиллях F = 0,01-0,05 Н. Ці матеріали не окислюються і мало піддаються ерозії. При контактних зусиллях F = 0,05-1 Н і малій частоті спрацьовування використовується срібло, яке має добру електропровідність, легко оброблюється, але має низьку твердість і піддається ерозії. При контактних зусиллях F = 0,3-1 Н і на великій частоті спрацьовування використовуються металокерамічні контакти, що отримують шляхом спікання суміші порошків двох металів: срібла з вольфрамом, молібденом або нікелем, міді з вольфрамом або молібденом. При контактних зусиллях F >1 Н і на великій частоті спрацьовування використовується вольфрам.

Найдешевшим матеріалом є мідь, яка використовується для потужних контактів, що мають порівняно великі розміри і потребують великої витрати матеріалу. Контактні зусилля для міді F >3 H. Для захисту від корозії окрім лудження використовується посріблення або кадмування мідних контактів.