Пайка металлов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Е.А. Кривоносова

ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2012

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие техники в различных отраслях промышленности обусловило широкое применение пайки, особенно в машиностроении, электронике и электротехнической промышленности. Это связано, во-первых, с тем, что пайка, как процесс формирования соединений материалов, осуществляется при температурах ниже температуры начала плавления паяемого материала и характеризуется возможностью автоматического ее регулирования. Во-вторых, это объясняется все большим внедрением в производство новых конструкционных материалов и переходом на высоколегированные сплавы, сварка которых вызываетзначительные трудности.

Пайка имеет много общего со сваркой плавлением, однако если присваркеосновнойиприсадочныйметаллынаходятсявсварочнойваше врасплавленномсостоянии, топрипайкеосновнойметаллнеплавится.

Пайка– процесс соединения материалов в твердом состоянии припоями, которые при расплавлении затекают в зазор, смачивают паяемые поверхности и при кристаллизации образуют паяный шов. Вотличие от сварки плавлением пайка может быть осуществлена при температурах ниже температуры плавления основного металла. Одним из преимуществ пайки является возможность соединения в единое целое за один прием множества заготовок, составляющих изделие. Поэтому пайка, как ни один другой способ соединения, отвечает условиям массового производства. Она позволяет соединять разнородные металлы, а также металлы со стеклом, керамикой, графитом и другими металлическими материалами, что невозможно или весьма трудно осуществитьсваркой.

Поскольку при пайке кромки паяемых деталей не расплавляются, в процессе изготовления проще сохранить требуемую форму и размеры изделия. При низкотемпературной пайке удается сохранить неизменными структуру и свойства соединяемых деталей.

3

В ряде случаев пайка обеспечивает более высокую надежность изделий, чем сварка. Процессы пайки широко применяются при изготовлении двигателей летательных аппаратов и других устройств, работающих в условиях вибрации, так как паяные соединения лучше, чем сварные, воспринимают вибрационные нагрузки.

Рациональное сочетание паяемых материалов и припоев и использование конструкций с оптимальной площадью перекрытия повышают надежность паяных соединений по сравнению со сварными в 4 раза для самолетов и в 20 раз для космических аппаратов.

Осуществление процесса пайки в условиях общего нагрева предопределяет ряд важных технологических преимуществ пайки сваркой:

–комплексная пайка и широкая ее механизация и автоматизация обеспечивают высокую производительность процесса в крупносерийноми массовом производстве;

–получение соединений в скрытых и малодоступных местах изделий, изготовление тонкостенных изделий с большой плотностью паяных соединений и объемным расположением за один нагрев, повышение коэффициента использования материала и снижение металлоемкости изделий;

–соединение деталей не только последовательно по контуру, как при сварке плавлением, но и одновременно по поверхности, что обуславливает возможность варьирования прочности паяных соединений и конструкции изделия в целом;

–выбор температуры процесса в зависимости от необходимости сохранения механических свойств материалов изделия после пайки, возможность совмещения нагрева под пайку с термообработкой и выполнение ступенчатой пайки.

Одним из труднорешаемых вопросов процесса пайки является получение равнопрочного с основным металлом соединения. Этому препятствует низкая прочность и пластичность большинства припоев по сравнению с паяемыми металлами, литая структура шва, высокое химическое сродство компонентов припоев с основой или компонентами паяемого материала, приводящее к росту прослоек химических соединений.

4

ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПАЙКИ

Пайкой называется образование соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей кристаллизации (ГОСТ 17325-79).

Пайка – сложный физико-химический процесс получения неразъемного соединения в результате взаимодействия твердого паяемого и жидкого присадочного материалов соединяемых деталей. Образующиеся в результате этого взаимодействия переходные слои на границах шва и соединяемых пайкой поверхностей деталей называются спаями.

Для получения спая наряду с нагревом необходимо обеспечить еще два основных условия: удалить с поверхности металлов в процессе пайки окисную пленку и ввести в соединительный зазор между ними расплавленный связывающий металл. При кристаллизации более легкоплавкого связующего металла, вступившего во взаимодействие спаяемыми металлами, образуетсяпаяноесоединение.

Материалы, подвергаемые пайке, называются паяемыми, соединяемыми, или основными. Вводимый между ними для соединения металл или сплав, имеющий более низкую температуру плавления, называется припоем.

При пайке формирование шва происходит путем заполнения припоем капиллярного зазора между соединяемыми деталями, т.е. процесс пайки связан с капиллярным течением присадочного металла.

Исторически сложилось деление пайки на «мягкую», выполняемую припоями с температурой плавления до 400–500 °С, и «твердую», выполняемую припоями с более высокой температурой плавления. Однако, если раньше такое деление служило для разграничивания низкотемпературной пайки оловянно-свинцовыми припоями и высокотемпературной пайки медными и серебряными припоями,

6

а процессы пайки распространялись главным образом на железоуглеродистые сплавы, медь и ее сплавы, то при многообразии существующих методов пайки и применяемых материалов такое деление утратило прежний смысл.

Дляобразованиякачественногопаяногосоединениянеобходимо:

♦подготовить поверхности соединяемых деталей;

♦активировать материалы и припой;

♦удалить оксидные пленки в зоне контакта;

♦обеспечить взаимодействие на межфазной границе раздела;

♦создать условия для кристаллизации жидкой металлической прослойки.

Подготовка поверхностей деталей к пайке включает механи-

ческую, химическую или электрохимическую очистки от оксидов, загрязнений органического и минерального происхождения, а также нанесение покрытий, улучшающих условия пайки или повышающих прочность и коррозионную стойкость паяных соединений.

Активация паяемых поверхностей необходима для физико-

химического взаимодействия атомов основного металла и припоя. Поскольку главным фактором образования паяного соединения является тепловая активация паяемых поверхностей, то способ нагрева определяет классификацию методовпайки

Пайку можно классифицировать по сущности физико-химичес- ких процессов (рис. 1), протекающих при формировании паяных

швов (методы пайки), и по технологии пайки (рис. 2), связанной с применяемыми для нагрева источниками тепла или оборудованием (Способы пайки. ГОСТ 17349-79).

1.1. Методы пайки

По сущности физико-химических процессов пайка подразделяется на капиллярную, диффузионную, контактно-реактивную, реак- тивно-флюсовую и пайку-сварку (рис. 1).

Капиллярной пайкой называется метод, при котором припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями деталей и удерживаетсявнем засчет капиллярных сил. Во всех случаях, когда впаяном

7

соединении имеется перекрытие элементов деталей (нахлестка), возможна капиллярная пайка.

Однако капиллярные явления присущи всем методам пайки, поэтому данный термин является условным и означает, что процессы пайки связаны с течением припоев под действием капиллярных сил.

Капиллярная пайка делится на горизонтально-капиллярную

ивертикально-капиллярную в зависимости от положения паяного шва в пространстве. При вертикальном течении припой в зазоре может подниматься на ограниченную высоту, и, следовательно, величина нахлестки соединяемых элементов паяных деталей при этом не может бытьбольшевполнеопределенного значения.

При горизонтальной капиллярной пайке теоретически припой может течь неограниченно. Однако поскольку припой в процессе пайки вступает во взаимодействие с основным металлом и, насыщаясь им, изменяет свои свойства, то горизонтальное его течение будет также ограничено, но в меньшей мере. Исходя из этого при конструировании паяных изделий и выполнении пайки необходимо стремиться создавать условия для горизонтального течения припоев.

Диффузионной пайкой называется метод пайки при высоких температурах, отличающийся длительной выдержкой с целью упрочнения соединения за счет взаимной диффузии компонентов припоя

ипаяемых металлов.

При диффузионной пайке в зависимости от сочетания основного металла и припоя, во-первых, возможно взаимное растворение припоя основного металла с образованием в шве твердого раствора, благодаря чему существенно повышается пластичность и прочность паяного соединения.

Во-вторых, в процессе диффузионной пайки возможно образование в шве весьма тугоплавких, но, как правило, хрупких интерметаллидов в результате реактивной диффузии, которая приводит к повышению температуры плавления металла шва, и, следовательно, к повышению жаропрочности паяных соединений.

Так, например, при пайке вольфрама припоем системы платина – бор с температурой плавления 855 °С протекает реакция

9

3W + PtB → PtW + W2B

собразованиемв швесплавас температуройплавлениявыше 2000 °С. Приведенные примеры позволяют выделить две основные разновидности диффузионной пайки: атомно-диффузионную и реактив-

но-диффузионную.

В практике пайки при различных сочетаниях основного металла и припоев возможны указанные разновидности диффузии в одном паяном шве.

Контактно-реактивным называется метод, при котором между соединяемыми металлами и припоем протекают активные реакции с образованием в контакте между ними нового более легкоплавкого сплава эвтектического состава или твердого раствора с минимумом на кривой ликвидуса. Образовавшийся легкоплавкий сплав заполняет зазорипри кристаллизации образуетпаяное соединение.

Взаимодействие между соединяемыми металлами имеет место, например, при пайке меди с серебром без нанесения припоя. При нагреве до температуры пайки происходит контактное растворение соединяемых металлов с образованием эвтектики медь– серебро. Аналогичное взаимодействие может протекать между одним из соединяемых металлов и покрытием на втором металле или между соединяемыми металлами и фольгой третьего металла, вводимого в зазор между ними.

При этом пайка в отличие от обычных условий производится при температуре ниже температуры плавления покрытия или фольги, вводимой в качестве прослойки между соединяемыми металлами.

Реактивно-флюсовым называется метод пайки, при котором припой образуется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом. Реактивно-флюсовая пайка может осуществляться без введения припоя и с дополнительным введением припоя. Реактив- но-флюсовую пайку без введения припоя можно продемонстрировать на примере пайки алюминия с флюсом, содержащим большое количество хлористого цинка. При пайке на соединяемые поверхности алюминиевых деталей наносится избыточное количество флюса. При нагревемежду хлористым цинком иалюминием протекаетреакция

10