Министерство образования и науки Украины

Одесская национальная морская академия

мореходный колледж технического флота

Методические указания

для выполнения лабораторных работ

по дисциплине:

,,Электротехнические материалы,,

для курсантов ІІ курса

специальность:

5.07010407 ,,Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов,,

Рассмотрено и утверждено

на заседании цикловой комиссии ,,ЭЭ и АС,,

председатель цикловой комиссии

________________Янишкевич В.С

протокол №___от________2010 года

Одесса 2010 год

Аннотация

к методическим указаниям.

Представленные лабораторные работы составлены в соответствии с типовой учебной программой курса ,,Электротехнические материалы,, для курсантов специальности: ,,Эксплуатация электрооборудования и автоматики судов,,

В методических указаниях содержится описание трех лабораторных работ. В каждой работе приведены относящиеся к ней краткие теоретические сведения, содержание и порядок работы.

Представленные работы помогут курсантам глубже изучить свойства проводниковых и диэлектрических материалов, используемых в судовом электрооборудовании.

Объем лабораторных работ рассчитан на выполнение каждой в течении двух учебных часов.

В связи со сложностью перевода многих технических терминов на украинский язык методические указания разработаны на русском языке.

Лабораторная работа №1

Тема: ,,Определение химического состава и свойств припоев для низкотемпературной и высокотемпературной пайки металлов,,

1. Цель работы

Согласно марки припоя научится определять химический состав, свойства и область применения припоев.

Краткие теоретические сведения

Сущность паяемости

Паяемость — это свойство материала образовывать паяное соединение при заданном режиме пайки (ГОСТ 17325–79). В отличие от свариваемости стандартное определение паяемости не отражает в прямом виде функциональное назначение паяного соединения, хотя в скрытой форме оно заложено в термине «заданный режим пайки».

Под режимом пайки понимают совокупность параметров и условий, при которых осуществляют пайку. К этой совокупности относят температуру пайки, время выдержки при этой температуре, скорость нагрева и охлаждения, способ пайки, припой, флюс (газовую среду), давление на соединяемые заготовки и др. (ГОСТ 17325–79).

Тогда при заданном режиме пайки паяемость — это свойство материала образовывать паяное соединение с требуемой прочностью, пластичностью, герметичностью, электропроводностью, коррозионной стойкостью и т. д.

На паяемость оказывает влияние совокупность факторов, которые условно подразделяют на три группы: физико-химические, технологические и конструктивные факторы [33, 34].

К первой группе факторов относят физико-химические свойства паяемого металла и припоя, определяющие характер их взаимодействия, воздействие флюсующих сред на припой и паяемый металл, условия и характер кристаллизации при пайке. Характер взаимодействия твердого и жидкого металлов зависит от электронного строения их атомов, соотношения атомных радиусов, положения элементов в ряду электроотрицательности, валентности и потенциалов ионизации атомов.

Группу технологических факторов составляют подготовка поверхности и сборка изделий перед пайкой, способ удаления окисной пленки, режим пайки, обработка паяных соединений и др.

К конструктивным факторам относят тип паяного соединения, геометрические параметры и расположение паяных соединений в изделии.

Среди перечисленных факторов наибольшее влияние на паяемость оказывают свойства паяемого металла и припоя.

Материалы для обеспечения паяемости

Припои

Паяемость материалов существенно зависит от используемого припоя, к которому предъявляют следующие требования:

• температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления соединяемых материалов;

• припой должен обладать хорошей жидкотекучестью, смачивать поверхности соединяемых материалов, растекаться по ним, проникать в узкие зазоры;

• припой не должен в значительной степени снижать прочность (статическую и вибрационную) и пластичность соединяемых материалов, а также способствовать их хрупкому разрушению;

• с паяемыми материалами припой не должен образовывать соединений, склонных к коррозии;

• коэффициенты линейного расширения припоя и соединяемых материалов не должны резко отличаться во избежание образования остаточных напряжений и трещин в паяном соединении.

Помимо общих требований, к припоям в зависимости от их использования предъявляют ряд специфических требований, например, по электропроводности, теплопроводности, коррозионной стойкости в специальных средах, деформации в горячем и холодном состояниях и др.

В зависимости от температуры полного расплавления Т_пл (температуры ликвидуса) припои подразделяют на особолегкоплавкие (Т_пл ≤ 145 ⁰С), легкоплавкие (145 ⁰С < Т_пл ≤ 450 ⁰С), среднеплавкие (450 ⁰С < Т_пл ≤ 1100 ⁰С), высокоплавкие (1100 ⁰С  < Т_пл ≤ 1850 ⁰С) и тугоплавкие (Т_пл > 1850 ⁰С).

Особолегкоплавкие и легкоплавкие припои относят к припоям для низкотемпературной (мягкой) пайки, а среднеплавкие, высокоплавкие и тугоплавкие — к припоям для высокотемпературной (твердой) пайки (ГОСТ 19248–90).

Припои для низкотемпературной пайки изготовляют на основе олова, свинца, висмута, цинка, кадмия и индия.

Припои для высокотемпературной пайки содержат медь, серебро, никель, кобальт, железо, алюминий и др.

Вышеуказанный ГОСТ 19248–90, который соответствует международному стандарту ISO 3677, устанавливает новое обозначение припоев.

Условное обозначение состоит из трех частей. Первая часть содержит букву В (Brasing), означающую припой.

Вторая часть содержит группу символов — химических элементов припоя. Первым в группе символов указывают основной элемент припоя, определяющий его основные свойства. Затем указывают численное значение его массовой доли в процентах. Остальные химические символы указывают в порядке убывания массовой доли элементов. В случае, если в припое два или более элементов имеют одну и ту же массовую долю, их указывают в порядке понижения атомного номера.

Элементы припоя, массовая доля которых составляет меньше 2 %, не указывают, кроме элементов, оказывающих существенное влияние на свойства припоя, драгоценных и редких металлов, если они не являются примесями.

В обозначении указывают не более шести химических элементов.

Третья часть содержит значение температуры начала и конца плавления. Для эвтектических сплавов указывают только температуру плавления.

Примеры условных обозначений:

1. Эвтектический припой, содержащий 72 % серебра (основной элемент) и 28 % меди, с температурой плавления 780 ⁰С: B Ag72 Cu 780.

2. Припой, содержащий 63 % никеля (основной элемент), 16 % вольфрама, 10 % хрома, 3,8 % железа, 3,2 % кремния, 2,5 % бора, 0,5 % углерода, 0,6 % фосфора, 0,1 % марганца и 0,2 % кобальта с температурой начала плавления 970 ⁰С и конца плавления 1105 ⁰С:

B Ni63 W Cr Fe Si B 970–1105.

3. Припой, содержащий 25 % олова (основной элемент), 73 % свинца и 2 % сурьмы с температурой начала плавления 185 ⁰С и конца плавления 260 ⁰С: B Sn25 Pb 185–260.

В настоящее время переход на новое обозначение припоев не завершен как в нашей стране, так и за рубежом, и пока используют обозначение припоев по ранее разработанным стандартам на отдельные группы припоев (ПОС 90, ПОССу 61-0,5, ПОСу 95-5, ПСр 72, ПСр МО 68-27-5, ПСр 50 Кд, ПМЦ 36, ПМЦ 54 и др.) или по марке, установленной заводом-изготовителем (ВПр 1, ВПр 9, ВПр 31 и др.).

По существующим стандартам обозначение припоя начинается с буквы П (припой), затем указывают химический символ основного элемента припоя. Дальнейшее обозначение припоя отличается для различных групп припоев.

Для оловянно-свинцовых припоев проставляют все символы элементов, а массовые доли этих элементов в процентах указывают только для олова и сурьмы. Символы элементов обозначают буквами русского алфавита (ГОСТ 21930–76). Например:

1. ПОС 90 — припой (П) оловянно (О)-свинцовый (С) со средним содержанием олова 90 %.

2. ПОССу 10–2 — припой (П) оловянно (О)-свинцовый (С) сурмянистый (Су) со средним содержанием олова 10 % и сурьмы 2 %.

Для медно-цинковых припоев (ГОСТ 23137–78) после символов элементов указывают содержание только основного элемента.Например, ПМЦ 36 — припой (П) медно (М)-цинковый (Ц) со средним содержанием меди 36 %.

Для серебряных припоев существуют различные варианты обозначений (ГОСТ 19738–74).

Первый вариант. После буквы П указывают только основной элемент и его процентное содержание (ПСр 72, ПСр 40, ПСр 1). Например:

1. ПСр 72 — припой (П) серебряный (Ср) со средним содержанием серебра 72 %. Второй элемент медь (28 %) не указывают.

2. ПСр 1 — припой (П) серебряный (Ср) со средним содержанием серебра 1 %. Другие элементы — олово (35 %), кадмий (2,5 %), сурьма (0,9 %), свинец (остальное) не указывают. По данному условному обозначению серебряных припоев трудно судить об их составе.

Второй вариант. После буквы П указывают элементы, входящие в состав припоя, а затем их процентное содержание. ПСрМЦКд 45-15-16-24, например, — припой серебряный со средним содержанием серебра (Ср) 45 %, меди (М) 15 %, цинка (Ц) 16 % и кадмия (Кд) 24 %. Этот вариант обозначения припоев — самый информативный.

Следует отметить, что кадмий в серебряных припоях обозначают двумя буквами «Кд», а для оловянно-свинцовых припоев по ГОСТ21930–76 — одной буквой «К», например, ПОСК 50-18, содержащий 50 % олова (О) и 18 % кадмия (К).

Третий вариант. После буквы П указывают основной элемент, его процентное содержание, а затем — только буквенный символ еще одного элемента, оказывающего существенное влияние на свойства припоя.

Например, ПСр50Кд — припой серебряный с содержанием 50 % серебра (Ср), имеющий в своем составе кадмий (Кд). Кадмий в серебряных припоях сильно снижает их температуру плавления, одновременно увеличивая жидкотекучесть. Для данного припоя символы меди и цинка, их процентное содержание, как и кадмия, не указывают в обозначении припоя. Обозначение припоев по ранее разработанным стандартам не предусматривает указания температур начала и конца плавления.

Марки оловянно-свинцовых и серебряных припоев, их химический состав и назначение приведены в табл. 4.64–4.69, а марки наиболее распространенных медных, никелевых, алюминиевых припоев и их химический состав — в табл. 4.70–4.72.

Флюсы

Для обеспечения паяемости применяют различные флюсы, основное назначение которых — удаление окислов с поверхности паяемого материала и припоя и предотвращение их образования. Свойства флюсов должны отвечать следующим требованиям:

• вступать во взаимодействие с окислами, прежде чем расплавится припой; для каждого флюса существует температура его активного действия, которая несколько превышает температуру плавления флюса, но она должна быть ниже температуры плавления припоя;

• смачивать паяемый материал;

• не вызывать коррозионного влияния на соединяемые детали и припой;

• оказывать адсорбирующее действие на металл, снижая поверхностное натяжение жидкого припоя и улучшая его растекаемость по паяемой поверхности;

• не изменять своего химического состава при нагревании вследствие испарения и сублимации отдельных компонентов (не снижать активность в предусмотренном интервале температур пайки);

• по возможности не содержать дорогостоящих компонентов;

• быть устойчивым в условиях хранения, транспортирования и применения.

В зависимости от температурного интервала активности различают низкотемпературные (Т_пл ≤ 450 ⁰С) и высокотемпературные (Т_пл > 450 ⁰С) паяльные флюсы (ГОСТ 19250–73).

Составы наиболее распространенных флюсов для пайки черных и цветных металлов приведены в табл. 4.73 и 4.74 [2].

Методы оценки паяемости

Для оценки паяемости используют различные методы испытаний и контроля:

• метод определения смачивания материалов припоями;

• метод определения заполнения зазора припоем;

• метод определения эрозии паяемого материала;

• метод выявления и определения толщины прослойки химического соединения;

• метод определения температуры распайки;

• метод испытаний для оценки влияния жидкого припоя на механические свойства паяемого материала;

• механические испытания;

• методы неразрушающего контроля качества и другие.

Метод определения смачивания  материалов припоями

Смачивание материалов припоями определяют по следующим характеристикам (ГОСТ 23904–79):

• краевому углу смачивания и площади растекания;

• начальной скорости смачивания и времени растекания (для припоев с Т_пл ≤ 450 ⁰С).

При определении смачивания по краевому углу и площади растекания для испытаний применяют пластины размерами 40Ч40 мм или диски диаметром 40 мм из паяемого материала с толщиной от 0,5 до 3,0 мм, припой в форме цилиндра или куба с дозированным объемом 64 мм³ и флюс (объем — не более 400 мм³). При использовании припоев, содержащих драгоценные или редкие металлы (Ag, Au, Pt, Pd и др.) применяют пластины размерами 20Ч20 мм или диски диаметром 20 мм, припой с объемом 16 мм³ и флюс (объем — не более 100 мм³). Подготовку поверхности образцов и припоя производят в соответствии с технологическим процессом изготовления паяной конструкции.

Припой размещают в центре горизонтально расположенной пластины (диска), затем образец нагревают.

Краевой угол смачивания фиксируют при достижении припоем следующих значений температуры:

• начала плавления (3–5 ⁰С выше температуры солидуса);

• полного расплавления (3–5 ⁰С выше линии ликвидуса);

• температуры пайки.

Допускается измерение краевого угла смачивания после охлаждения образца.

Для определения краевого угла смачивания применяют фото- и киноаппаратуру.

Краевой угол смачивания — это двугранный угол между плоскостью, касательной к поверхности припоя у границы смачивания, и смоченной припоем плоской поверхностью паяемого материала (ГОСТ 17325–79).

Для каждой капли (на снимке или проекции) измеряют краевой угол с левой и с правой сторон (θ_лев и θ_прав). Угол смачивания для данной капли определяют как среднее арифметическое этих значений.

Краевой угол смачивания θ для данного сочетания «припой — паяемый материал» определяют по формуле:

,

где θ₁, θ₂,…, θ_n — значения краевого угла смачивания для каждой капли;

n — число образцов.

Число образцов для испытаний должно быть не менее трех для каждого сочетания материалов, припоя, флюса и режима пайки.

Площадь растекания припоя находят после охлаждения образца как среднее арифметическое из трех полученных результатов испытаний.

При определении смачивания по начальной скорости и времени растекания для испытаний применяют пластины из паяемого материала длиной 30 мм, шириной — до 25 мм и толщиной от 0,1 до 1,0 мм (предпочтительные размеры образца — 30Ч10Ч0,1), а также проволоку диаметром от 0,3 мм (предпочтительный размер — 1,0 мм).