Пайка металлов

их основе. Наиболее широко применяемые флюсы стандартизованы, но применяются и нестандартизованные флюсы.

Флюсы для пайки алюминиевых сплавов чаще всего содержат фториды щелочных металлов, растворяющие окись алюминия. В их состав входят также хлористый цинк и другие галогениды.

Алюминий и его сплавы относятся к труднопаяемым металлам, так как окись алюминия является одним из самых химически стойких соединений.

Наиболее широко для пайки алюминия и его сплавов применяют флюс 34А, состоящий из хлоридов калия, лития, цинка и фторида натрия. При пайке этим флюсом хлористый цинк через микропоры и трещины в окисной пленке проникает в основной металл и вступает с ним в реакцию 2Al + 3ZnCl2 = 2AlCl2 + 3Zn.

Хлористый алюминий, являющийся газообразным веществом при температуре выше182 °С, способствует разрушению окисной пленки, частицы которой расширяются во фториде натрия. Металлический цинк, высаживающийся на поверхности алюминия, вступает с ним во взаимодействие и образует сплав, состав которого отвечает ликвидусу равновесной диаграммы состояния системы Al–Zn при температуре пайки.

Для высокотемпературной пайки алюминия и его сплавов разраработаны различного вида флюсы. Эти флюсы в зависимости от физико-химических свойств используют для пайки газовым пламенем в печах, в соляной ванне, ТВЧ и т.д.

Флюсы для пайки магниевых сплавов оказывают реактив-

ное и диспергирующее действие и частично растворяют окись магния. Так, флюс на основе кариалита с добавлением фтористого натрия и небольшого количества окиси алюминия может обеспечить пайку по следующей схеме: частичное растворение окиси магния фтористым натрием; взаимодействие окиси алюминия с окисью магния с образованием шпинели; взаимодействие окиси алюминия с магнием на участках, где окисная пленка уже разру-

шена, по реакции Al2O3 + 3Mg = 3MgO + 2Al.

51

Выделившееся при этой реакции небольшое количество алюминия осаждается на поверхность магния и сплавляется с припоем, а образовавшаяся окись магния растворяется флюсом.

Аналогичная схема разработана для пайки различных магниевых сплавов.

Флюсы для пайки титана и его сплавов, состоящие из хло-

ридов и фторидов различных металлов, малоактивны и в процессе пайки вступают во взаимодействие с основным металлом, загрязняя его поверхность. Припои, предназначенные для пайки титана, недостаточно хорошо смачивают поверхность титана и плохо затекают в зазор. Все это требует доработки технологии флюсовой пайки титана и титановых сплавов. Рекомендуемые в литературе флюсы для пайки титана и его сплавов содержат главным образом хлориды и фториды металлов и используются для пайки в пламени кисло- родно-ацетиленовых горелок.

Титановые изделия могут быть соединены также реактивнофлюсовой пайкой. В состав флюса в этом случае входит большое количество хлорида олова или серебра. При этом протекают следующие реакции:

Ti + 2Cl2 = TiCl4 + 2Sn,

Ti + 4AgCl = –Ti Cl4 + 4Ag.

5.5. Флюсы для низкотемпературной пайки

Флюсы для низкотемпературной пайки на основе канифоли и других органических соединений применяются в тех случаях, когда не представляется возможным тщательно промыть изделие после пайки. Остатки этих флюсов не вызывают коррозии, но они менее активны в процессе пайки. Иногда в качестве флюса применяют кусковую канифоль, однако гораздо удобнее для применения ее растворы в спирте.

Канифоль представляет собой желтовато-красную или темнокоричневую хрупкую массу плотностью 0,96–1,01 г/см3, получае-

52

ГЛВАВ 6. ГАЗОВЫЕ СРЕДЫ

Пайку с флюсами можно осуществлять в обычных атмосферных условиях без применения дорогостоящего оборудования. Однако невозможность в ряде случаев полного удаления остатков флюсов ограничивает область ее применения. Поэтому в настоящее время наблюдается тенденция к переходу на бесфлюсовую пайку

вспециальных газовых средах или в вакууме.

Врезультате поисков были найдены искусственные газовые среды, которые позволяют производить пайку без флюсов. Газовые среды используют обычно при пайке в печах. Пайка в газовой среде по сравнению с пайкой с применением флюсов имеет значительные преимущества, к основным из которых относятся: получение высококачественного соединения; повышение производительности процесса; уменьшение коробления изделия вследствие его равномерного нагрева; возможность контроля температуры пайки и времени выдержки детали в печи; возможность автоматизации и механизации процесса; возможность одновременной пайки партии деталей или пайки за один прием сложных деталей, имеющих несколько швов; получение поверхностидеталей, нетребующей очисткипослепайки.

Искусственные газовые среды можно разделить на три типа: нейтральные атмосферы, активные атмосферы и вакуум.

6.1. Нейтральные газовые атмосферы

Нейтральные газовые атмосферы не вступают в процессе пайки в химическое взаимодействие ни с окисными пленками на поверхности металлов, ни с металлами. Роль газовой среды в этом случае сводится к защите металлов от окисления. В качестве нейтральных сред при пайке нашли применение главным образом инертные газы – аргон и гелий. Если пайка протекает при сравнительно низких температурах, то в ряде случаев вместо дефицитных и дорогих аргона и гелия применяют более дешевый газ – азот.

54

При комнатной температуре азот отличается большой инертностью, но при нагреве до высоких температур вступает во взаимодействие с многими металлами. В чистом виде азот применяется при пайке меди и сталей. В потоке сухого азота окислы меди разлагаются при температуре 740–750 °С вместо 2000 °С при нагреве в атмосфере воздуха.

6.2. Активные атмосферы

Активные атмосферы делятся на восстановительные газовые среды и газообразные флюсы. К восстановительным газовым средам относятся водород, окись углерода и газовые смеси, содержащие эти газы, в качестве восстановителей окислов металлов.

Кгазообразным флюсам условно относятся газовые среды, содержащие другие активные компоненты, способствующие удалению окислов металлов в процессе пайки, например трехфтористый бор, фтористый водород, хлористый водород и т.д.

Очищенный от примесей других газов и паров воды водород является одним из лучших восстановителей металлов из окислов, но взрывоопасность ограничивает его применение. Наиболее целесообразно применение водорода в смеси с азотом. Азотно-водородные смеси, содержащие до 8 % водорода, не взрывоопасны, но восстановительные свойства их по сравнению с чистым водородом ниже.

Наряду с рассмотренными восстановительными газами и газовыми смесями при пайке нашли применение газовые атмосферы сложно» состава, представляющие собой продукты сгорания, образующиеся при сжигании горючих газов с дозированным количеством воздуха. При получении таких атмосфер соотношение газа и воздуха подбирается так, чтобы разложение углеводородов происходило при неполном сгорании.

Основными составляющими образующейся при неполном сгорании газовой смеси являются водород, окись углерода и азот.

Кактивным газовым средам относятся также газообразные флюсы, которые применяются как самостоятельные газовые атмосферы

55

или как добавки в нейтральные и восстановительные газовые среди для повышения их активности в процессе пайки. В качестве газообразных флюсов применяются фтористый водород HF, трехфтористый бор BF3, борорганические соединения идругиевещества.

Газообразные флюсы получают по двум схемам:

1)в специальном диссоциаторе, из которого он подается к месту пайки;

2)исходные продукты, при разложении которых образуется газообразный флюс, вносятся непосредственно в контейнер, в котором производится пайка.

Для получения газообразных флюсов используются фтори-

стый аммоний NH4F, фторборат аммония NH4BF4, фторборат калия КBF4. Полный распад фтористого аммония на водород, азот и фтористый водород происходит при температуре 600–800 °С. Фторборат аммония полностью разлагается на водород, азот, фтористый водород и трехфтористый бор при температуре 850–950 °С.

Фторборат калия полностью разлагается при температуре

800–900 °С по реакции КBF4 → KF + BF3.

Следует отметить, что при пайке с применением фторбората калия высокой флюсующей активностью обладает как сам фторборат, так и продукты его распада.

В качестве активной добавки в нейтральные и восстановительные газовые среды чаще используются трехфтористый бор, который может поставляться в баллонах.

Механизм действия газообразного флюса можно рассмотреть на примере трехфтористого бора. При температуре пайки трехфтористый бор вступает в реакцию с окислами металлов:

Cr2O3 +3BF3 → 2CrF3 + (B0F)3.

Принедостаточном количестветрехфтористогоборав зонепайки протекаетреакция

Cr2O3 +2BF3 → 2CrF3 +B2О3.

Фторокись бора (B0F) 3 газообразна и легко удаляется.

56

ГЛАВА 7. ПРИПОИ

7.1. Свойства и классификация припоев

Для пайки металлов, а также металлов с неметаллическими материалами применяются как чистые металлы, так и сплавы. Качество паяного соединения наряду с другими факторами зависит от используемогоприпоя, которыйдолженотвечатьследующимтребованиям.

1.Температура плавления припоев должна быть на 50–100 °С ниже температуры плавления паяемых металлов.

2.При температуре пайки припой должен обладать хорошей жидкотекучестью, смачивать поверхности соединяемых материалов, растекаться по ним, проникать в узкие зазоры.

3.С паяемыми металлами припои должны сплавляться с образованием прочных и коррозионно-стойких паяных соединений.

4.Во избежание образования микрогальванических пар (электрокоррозии) коррозионная стойкость припоя, паяных швов и паяемого материала должна быть примерно одинакова.

5.Коэффициенты термического расширения паяемого металла

иприпоя должны быть максимально близки, чтобы избежать образования остаточных напряжений и трещин в паяном соединении.

6.Припои по возможности не должны содержать дефицитных компонентов.

7.Технология изготовления и применения припоев должна быть общедоступной.

Классификация припоев, производящаяся по многим признакам, приведена в табл. 1.

Припои классифицируют по следующим признакам (ГОСТ

19248-90):

– по химическому составу: медные, серебряные, золотые, палладиевые, платиновые, никелевые, железные, марганцевые, магниевые, оловянно-свинцовые, индиевые, цинковые, кадмиевыеидр.;

58

59

–по технологическим свойствам: самофлюсующие, которые имеют лучшие технологические свойства за счет частичного удаления припоем окислов с паяемой поверхности; композиционные, состоящие из смеси тугоплавких и легкоплавких порошков, позволяющих производитьпайкуузловсбольшимизазорами;

–по содержанию активирующих компонентов (титана, циркония и др.), повышающих смачиваемость припоем окисленных поверхностей паяемых материалов;

–по температуре плавления: низкотемпературные (припой

сТпл< 450 °С) и высокотемпературные (с Тпл> 450 °С). Низкотемпературные припои выплавляют на основе олова, висмута, кадмия, свинца, цинка, индия, низкотемпературные – на основе меди, серебра, никеля, кобальта, железа, алюминия и др.;

–по сортаменту: пластичные, изготовленные в виде полос, фольги, проволоки, хрупкие – в виде литых прутков, отливок, порошка, паст. Применяют также припои в виде стружки, сетки, колец, брикетов. Для удобства использования оловянно-свинцовых припоев

иповышения производительности труда последние иногда изготавливаютв виде трубок, заполненных флюсом или пастой.

Внастоящее время в технике применяются десятки металлов в чистом виде и тысячи сплавов на их основе, которые могут подвергаться пайке. Однако наибольшее распространение в металлоконструкциях получили сплавы на основе железа, меди и никеля, для которых разработано большинство известных припоев. Другие металлы в паяных конструкциях встречаются значительно реже и требуют применения специальных припоев. В машиностроении наибольшее распространение получили припои на основе меди, серебра и никеля. Низкотемпературные припои на основе олова и других легкоплавких металлов применяются реже.

7.2.Припои на основе меди

Вкачестве припоев на основе меди применяются медь в чистом виде (марки М0, М1, М2,) и сплавы меди с цинком, марганцем,

60