Пайка металлов
..pdfфосфором и другими элементами. Чистая медь в расплавленном состоянии отличается высокой жидкотекучестью, хорошо смачивает поверхность сталей, твердых сплавов, никеля и никелевых сплавов, хорошо затекает в тончайшие капиллярные зазоры и дает прочные и пластичные паяные соединения.
Медь имеет температуру плавления 1083 °С и коэффициент линейного расширения 16,5 10–6 I/°С. Предел прочности меди 176–245 МПа (18–25 кг/мм2), относительное удлинение 35–40 %.
Для пайки конструкций ответственного назначения применяют медь с наименьшим количеством примесей, особенно мышьяка
ифосфора, образующих со сталями хрупкие соединения в контакте основной металл–припой. Пайка медью осуществляется главным образом в атмосфере нейтральных и активных газовых сред, а также в вакууме. Медь применяется в качестве припоя для пайки деталей из сталей, вольфрама, никеля и других металлов. При пайке медью никеля и его сплавов образуются прочные и пластичные паяные соединения, однако следует иметь в виду, что припой в этом случае интенсивно взаимодействует с основным металлом и, растворяя его, становится тугоплавким и плохо затекает в зазоры.
Недостатком меди как припоя является сравнительно высокая температура плавления, что обусловливает ее применение главным образом при печной пайке стальных изделий. Из припоев на основе меди наибольшеераспространениеполучилисплавымедисцинком.
Медно-цинковые припои (ГОСТ 23137-78) представляют собой двойные сплавы меди и цинка в различных соотношениях. Наибольший интерес представляют сплавы, содержащие менее 39 % цинка
иимеющие однофазную структуру твердого раствора. С увеличением содержания цинка пластичность припоев, а следовательно, и паяных соединений значительно снижается.
Наряду с хорошими технологическими свойствами медно-цин- ковые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью. Припои, имеющие структуру твердого раствора, сохраняют достаточную прочность даже в условиях глубокого холода. Однако испарение цинка при пайке приводит к повышению температуры плавления сплава. Для
61
снижения температуры плавления и повышения технологических свойств медно-цинковых припоев в их состав вводят в небольших количествах олово и кремний. Добавка до 1 % олова снижает температуру плавления и увеличивает жидкотекучесть. Для предупреждения выгорания цинка в состав припоя вводят кремний. Пайка медноцинковыми припоями обычно производится газовыми горелками, погружением в соляные ванны и с индукционным нагревом. Пайка в печахприменяется реже из-засильногоиспаренияцинка.
Различные марки медно-цинковых припоев применяют для пайки углеродистых сталей, меди и сплавов на ее основе.
Медно-никелевые припои. Медь с никелем образует ряд твердых растворов. Для увеличения жаростойкости, прочности при повышенных температурах в медно-никелевые припои вводят хром, марганец, железо, кремний и алюминий.
Изделия из коррозионно-стойких сталей паяются припоями типа ВПр1 (никель – 27–30 %, кремний – 1,5–2,0 %, железо – до 1,5 %, остальное медь) либо ВПр4 (марганец – 2,7–3,0 %, никель –
28–30 %, кремний – 0,8–1,2 %, железо – 1,0–1,5 %, остальное медь)
в среде нейтральных газов или в вакууме. В этом случае не происходит заметного растворения основного материала, что позволяет применять их для пайки тонкостенных изделий.
Медно-фосфористые припои. Сплавы меди с фосфором
(4–9 % фосфора) имеют высокую жидкотекучесть и сравнительно низкую температуру плавления, их применяют как заменители серебряных и медно-цинковых припоев при пайке меди и ее сплавов. Эти припои обладают самофлюсующими свойствами и позволяют производить пайку меди и некоторых ее сплавов без применения флюсов. При пайке латуни Л63, нейзильбера, алюминиевой бронзы и медно-никелевых сплавов медно-фосфористыми припоями необходимо применять борсодержащие флюсы.
Для пайки чугуна и сталей медно-фосфористые припои не применяют из-за образования хрупких фосфидов железа в паяном шве, что приводит к потере пластичности и охрупчиванию соединения.
62
Барьерные покрытия на паяемых поверхностях (никелирование, меднение) частично препятствуют образованию хрупких фосфидных прослоек и позволяют получать в отдельных случаях пластичные соединения.
Введение в звтектический сплав медь–фосфор олова и цинка снижает температуру его плавления и повышает пластичность. Технологические свойства таких припоев повышают введением в их состав сурьмы, никеля, серебра. Эти припои нашли широкое применение в электротехнической промышленности. Медно-фосфористые припои с серебром более пластичны и легкоплавки, их применяют для пайки изделий из меди с закрытыми соединениями, где удалить остатки флюса невозможно.
Недостатком этих припоев является способность их к ликвации и образованию ликвационной пористости. Припои требуют быстрого нагрева.
7.3. Серебряные припои
Характерным отличием серебряных припоев (ГОСТ 19738-74) от других тугоплавких припоев является относительно невысокая температура плавления, высокая прочность, пластичность, коррозионная стойкость в различных средах, повышенная тепло- и электропроводность. Серебряные припои хорошо смачивают металлические поверхности, прекрасно заполняют зазоры швов, дают прочные
икоррозионно-устойчивые паяные соединения, которые хорошо сопротивляются ударным и вибрационным нагрузкам и выдерживают значительные деформации. Серебряные припои применяют для пайки всех металлов, кроме алюминиевых и магниевых сплавов.
Припои, содержащие серебро, обладают повышенной тепло-
иэлектропроводностью, высокой пластичностью, прочностью, коррозионной стойкостью и технологичностью, позволяют проводить нагрев различными способами в различных средах. В промышленности широко применяют серебряные припои с содержанием меди, цинка, кадмия, олова, фосфора и других элементов
63
(прил. 3). Особенно широкое применение получили припои ПСр72 – сплав эвтектического состава и ПСр40, обладающие высокой технологичностью. Введение в серебряные припои лития улучшает смачиваемость паяемой поверхности и придает им свойства самофлюсования. Наиболее широко применяется для пайки в печах с вакуумом и с защитной атмосферой тонкостенных конструкций припой ПСр92, который, смачивая сталь, не проникает по границе зерен, вследствие чего не снижает механические свойства термически обработанных высокопрочных коррозионностойких сталей (σв > 980·106 Па). Однако припой ПСр92 в своем составе содержит большое количество серебра (92 %), что повышает его стоимость, поэтому его заменяют припоем ВПр13 с содержанием серебра 21–25 %.
Серебряные припои с медью, оловом, палладием обладают сравнительно низким давлением пара, вследствие чего их применяют для пайки вакуумных приборов, изготавливаемых из меди и стали. Введение большого количества олова снижает температуру начала плавления припоя, позволяет паять разнородные материалы, имеющие разные тепловые коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) без образования трещин и больших остаточных напряжений. Кадмий и цинк сильно снижают температуру плавления и повышают жидкотекучесть припоев.
Основой серебряных припоев обычно является система серебро–медь (рис. 11). Эвтектический сплав (28,5 % Сu) широко применяют при вакуумной пайке многихметалловисплавов.
Диаграммы состояния систем показаны на рис. 11–15.
Для снижения температуры плавления в двойные спла-
вы серебра с медью добавляют
Рис. 11. Диаграмма состояния цинк. сплавов системы медь–серебро
64
Рис. 12. Изотермы ликвидуса сплавов |
Рис. 13. Фазовый состав сплавов |
системы серебро–медь–цинк |
системы серебро–медь–цинк |
Рис. 14. Изотермы ликвидуса сплавов |
Рис. 15. Изотермы ликвидуса |
системы серебро–цинк–кадмий |
сплавов системы |
|
серебро–медь–олово |
65
Чтобы изменить в нужную сторону физико-механические и технологические свойства тройных серебряных припоев, например увеличить жаростойкость или прочность припоя, повысить или понизить температуру плавления его, а иногда сократить расход серебра, в них добавляют другие металлы (никель, марганец, кадмий, олово).
Для повышения механической прочности паяного соединения
всеребряные припои, содержащие медь и цинк, добавляют никель. Припои этого типа обладают хорошей прочностью при температуре до 540 °С и могут применяться для пайки сверхпрочных сплавов типа стеллит.
Наличие марганца в серебряных припоях делает их кислотостойкими. Незначительные добавки лития к серебряным припоям резко улучшают текучесть и смачивающую способность припоя
ввакууме, в водороде, в среде инертных газов, поэтому пайку можно проводить в обычной атмосфере без применения флюса. Самофлюсующие свойства припоев с литием объясняются тем, что при нагреве на паяной поверхности образуется гидроокись лития (LiОН)
вколичествах, зависящих от влажности атмосферы. При температуре 450–920 °С гидроокись не разлагается и находится в жидком состоянии, защищая припой от дальнейшего окисления, а все обра-
зующиеся при нагреве окислы металлов растворяются в LiОН. В абсолютно сухой атмосфере припои, содержащие литий, не будут обладать самофлюсующими свойствами. Серебряные припои с литием находят применение при пайке титана, сотовых и других изделий из нержавеющей стали. Соединения, паяные серебряными припоями с литием, сохраняют высокую прочность при высоких температурах.
Добавка в серебряные припои кадмия снижает температуру плавления, увеличивает пластичность и жидкотекучесть припоя. Кадмий при содержании в припое менее 40 % сильно ликвирует. Для уменьшения ликвации пайку следует производить быстро.
66
При пайке чугуна серебряные припои с медью, цинком и кадмием плохо смачивают его поверхность и полученные соединения обладают низкой прочностью. Добавка в эти припои небольшого количества никеля и марганца значительно увеличивает прочность соединения на срез.
Серебряные припои с медью и оловом применяют для пайки вакуумных приборов из меди и стали, так как пайка в этом случае проходит под низким давлением пара.
Введение небольшого количества олова снижает температуру начала плавления и увеличивает интервал кристаллизации, что позволяет паять разнородные металлы, имеющие разные температурные коэффициентылинейногорасширения, безобразованиятрещин.
Сплавы, содержащие серебро, медь, сурьму, цинк и кадмий, имеют температуру полного расплавления 425–660 °С. Их используют
вкачестве припоев для пайки медных изделий. Наличие сурьмы в этих сплавах снижает их пластические свойства, поэтому они могут быть использованытолькодляпайки слабонагружаемых изделий.
Двойные серебряно-медные припои ПСр72 и ПСр50 обладают низким удельным электросопротивлением, и поэтому обычно используются для пайки токопроводящих соединений, от которых требуется высокая электропроводность. Для этих же целей рекомендуется применять припои ПСр70 и ПСр71 с высоким содержанием серебра.
Для пайки капиллярных швов хорошо использовать припои, обладающие высокой жидкотекучестью, например эвтектический припой ПСр72 или кристаллизующиеся в узком интервале температур припои ПСр50Кд и ПСр40.
Для пайки изделий, не допускающих перегрева, применяются наиболее легкоплавкие припои, например ПСр40, ПСр62, ПСр45 ит.п. В машиностроительной промышленности широкое применение находят более дешевые припои с содержанием 10–45 % серебра, которые обеспечивают во многих случаях достаточно высокое качество паяных соединений.
Химический состав и свойства серебряных припоев приведены
вприл. 2.
67
7.4. Золотые и платиновые припои
Припои на основе золота обладают пластичностью, коррозионной стойкостью, электропроводностью, теплопроводностью и т.д.
В чистом виде золото как припой применяется редко, но оно образует твердые растворы с многими металлами, и поэтому используется для разработки пластичных припоев. Однако применение их ограничивается высокой стоимостью и дефицитом золота, поэтому золотые припои используют только там, где это оправданно (пайка вакуумных приборов с вакуумно-плотными соединениями, электроконтактов и др.).
При пайке изделий с вакуумно-плотными соединениями применяют в основном сплавы золота с медью, которые образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов. Минимальная температура плавления сплава (80 % золота, 20 % меди) 889 °С.
Введение в состав медно-золотых припоев серебра, с которым золото образует также ряд твердых растворов, позволяет несколько снизить температуру их плавления. Эти припои нашли использование при пайке молибдена и соединений графита с металлами. Дальнейшее снижение температуры плавления этих припоев достигается введением в их состав цинка, кадмия и индия.
Платиновые припои обладают хорошей способностью смачивать металлы и высокой сопротивляемостью к окислению. В качестве припоев применяют сплавы платины с золотом, иридием, родием, медью, никелем и другими металлами.
Припои на основе платины используют для изготовления изделий, работающих при высоких температурах. Применение платиновых припоев для пайки металлов ограничивается высокой стоимостью платины, поэтому их используют для соединения труднопаяемых изделий, например торийвольфрамовой проволоки с молибденом в производстве электронных трубок.
68
7.5. Никелевые припои
Никелевые припои широко применяют в качестве припоев для пайки коррозионно-стойких, жаропрочных сталей сплавов. Они позволяют получать паяные соединения высокой прочности и коррозионной стойкости как при нормальной, так и при повышенной температуре.
Чистый никель ввиду высокой температуры плавления иногда применяют в качестве припоя для пайки молибдена и вольфрама. Большинство никелевых припоев содержат хром, который повышает их жаростойкость и жаропрочность, но в то же время припои имеют высокую температуру плавления, что ограничивает область их применения.
Снижение температуры плавления нихромовых припоев достигается введением в их состав кремния, а также других элементов (фосфора, бора, бериллия, марганца, углерода), образующих с никелем эвтектикиилилегкоплавкиетвердыерастворы.
Припои системы никель–фосфор (7 – II % фосфора) применяют при диффузионной пайке никелевых сплавов.
Припои системы никель–бор малопластичны, так как бор малорастворим в никеле и образует с ним хрупкие фазы.
Особенностью никелевых припоев с бором или фосфором является их высокая способность к межзеренному проникновению и растворению никелевых сплавов в процессе пайки. Влияние бериллия на никелевые сплавыаналогичновлияниюбора ифосфора.
Введение кобальта (до 8 %) несколько уменьшает интенсивность растворения паяемого материала. Иногда для уменьшения растворения паяемый материал покрывают слоем никеля (10–15 мкм), который служит как бы барьером между припоем и паяемым материалом.
Припои системы никель–кремний (до 10 % кремния) состоят из эвтектики Ni (α ) и химического соединения Ni2Si. В практике обычно применяют сложнолегированные никелевые припои на основе эвтектик и твердых растворов.
69
Разработаны припои, содержащие, помимо никеля и кремния, хром и кобальт, которые повышают жаростойкость и жаропрочность припоев.
Введение железа в припои этих систем улучшает смачиваемость никелевых сплавов. Марганец и углерод упрочняют припои
иснижают их температуру плавления. Введение молибдена, вольфрама, алюминия и титана несколько повышает жаростойкость и жаропрочность никелевых припоев. Введение молибдена также способствует измельчению зерна и повышению коррозионной стойкости никелевых припоев.
Легирование никелевых припоев бором, литием, калием и натрием обеспечивает самофлюсущие свойства припоев и позволяет паять ими коррозионно-стойкие и конструкционные стали в среде аргона без применения флюсов.
Для пайки никелевых жаропрочных сплавов широко применяют порошковый композиционный припой ВПрII-40Н, состоящий из 60 % порошка припоя ВПр-II и 40 % порошка наполнителя следующего состава: 1,8–2,2 % кремния, 0,6–1,2 % бора, остальное никель, с температурой плавления 1130–1400 °С. Пайку проводят при температуре 1120 °С в среде нейтральных газов (аргон, гелий или
аргон с продуктами распада NH4BF4 или KBF4) или в вакууме с нагревом в печи или ТВЧ. Этот припой обеспечивает качественную пайку жаропрочных никелевых сплавов, содержащих значительное количество алюминия и титана, за счет присутствия в нем бора
икремния, обеспечивающих самофлюсование припоя. Наличие наполнителя в припое с более высокой температурой плавления, чем основа, позволяет производить пайку изделий с зазором до 1,5 мм.
7.6. Железные и марганцевые припои
Припои на основе железа применяются сравнительно редко. Это объясняется тем, что, несмотря на их низкую стоимость, не удается получить пластичные припои со сравнительно низкой температурой плавления. Для пайки режущего инструмента с пластинами из
70