Пайка металлов

быстрорежущей стали и твердых сплавов применяют порошки из ферросплавов (ферромарганец, ферросилиций). Введение в припои кремния и бора снижает температуру их плавления, а введение вольфрама и хрома повышает их жаростойкость и жаропрочность. Высокотемпературные припои на основе железа могут быть использованы при пайке в вакууме или нейтральных газообразных средах тугоплавких металлов.

Припои на основе марганца обладают хорошей жидкотекучестыо, способностью смачивать паяемый металл, а также высокой пластичностью. Их применяют для пайки коррозионно-стойких сталей, никеля, нихрома и других жаропрочных сплавов. Основным компонентом марганцевых припоев является никель, с которым марганец образует ряд твердых растворов.

Пайку этими припоями выполняют при нагреве в печах или ТВЧ в среде нейтральных газов. Нагрев желательно проводить быстро во избежание испарения марганца из припоя и изменения температуры его плавления.

Железо с марганцем образует ряд твердых растворов, которые обладают высокой пластичностью, однако температура их плавления высокая.

Введение в эти составы никеля, углерода, меди, кремния, бора снижает температуру их плавления и улучшает технологические свойства припоя (растекаемость, смачиваемость).

7.7. Алюминиевые припои

Для пайки алюминиевых сплавов применяют припои на основе алюминия, цинка и олова. Припои на основе алюминия обеспечивают соединениямнаиболеевысокиекоррозионныесвойстваимеханичность. Однако они имеют сравнительно высокую температуру плавления, что затрудняет проведение пайки. В припои на алюминиевой основе вводят кремний, серебро, медь, цинк, кадмийидругиеметаллы.

Наилучшей коррозионной стойкостью обладают припои системы алюминий–кремний. Обычно в качестве припоев используют

71

эвтектический сплав с содержанием около 12 % кремния, имеющий температуру плавления 577 °С. Эту температуру можно снизить, введя в припой медь; наиболее низкая температура будет при 28 % меди. В этом случае образуется тройная эвтектика (припой марки 34А) с температурой плавления 525 °С. Припой широко применяют в отечественной и зарубежной промышленности.

7.8. Магниевые припои

Магниевые припои применяются главным образом для пайки магния и его сплавов. В припои на основе магния вводят алюминий, медь, цинк, марганец. Эти припои сочетают с твердыми и жидкими флюсами, предохраняющими их от воспламенения в процессе пайки. В процессе пайки магниевыми припоями при нагреве в печах или пламенем газовой горелки необходимо иметь избыток флюса, предохраняющего от окисления припой и паяемый шов, снижающего прочность соединения.

7.9. Оловянно-свинцовые припои

Олово и свинец в чистом виде сравнительно редко применяют в качестве припоев. Несмотря на то, что олово обладает высокой коррозионной стойкостью, паять им не всегда целесообразно, так как оно, так же как и свинец, имеет низкий предел текучести. При низких температурах чистое олово может претерпевать аллотропическое превращение, переходя в серый порошок. Наибольшее применение нашли припои, содержащие 30–60 % Sn.

Оловянно-свинцовые припои применяют в различных отраслях промышленности при низкотемпературной пайке сталей, никеля, меди и ее сплавов. Они обладают высокими технологическими свойствами, пластичны и при выполнении пайки не требуют дорогостоящего оборудования. Пайку оловянно-свинцовыми припоями производят обычно при нагреве паяльником. В зависимости от содержания в припоях олова изменяются свойства и температура

72

склонность к старению и предотвращает аллотропические

превращения олова, однако большое количество сурьмы ухудшает способность припоев смачивать поверхность паяемых металлов. При содержании цинка и алюминия свыше 0,005 % снижается растекаемость припоя, ухудшается его взаимодействие с паяемым металлом, появляется склонность к образованию трещин при затвердевании. Для низкотемпературной пайки сталей, меди, никеля, медных сплавов наиболее широко применяют припои системы олово– свинец (ГОСТ 21931-76), обладающие достаточной прочностью, коррозионной стойкостью и высокими технологическими свойствами. Введение в оловянно-свинцовые припои до 7 % сурьмы повышает механические свойства и снижает склонность к старению.

Наибольшей прочностью и технологичностью из оловянносвинцовых припоев обладают ПОС-61, ПОС-50. Припой ПОС-61 имеет предел прочности 46 Мн/м2 (4,7 кг/мм2) при относительном удлинении 34 %, припой ПОС-50 – соответственно 37,2 Мн/м2 (3,8 кг/мм2) и 54 %. Оловянно-свинцовые припои с содержанием олова свыше 90 % обладают высокой коррозионной стойкостью, однако паять чистым оловом не всегда целесообразно, так как при низких температурах оно претерпевает аллотропическое превращение, при котором переходит в серый порошок. Наибольшее приме-

73

нение нашли припои, содержащие 30–50 % олова. Минимальную температуру плавления (183,3 °С) имеет припой с содержанием в сплаве 61,9 % олова. Этот припой имеет эвтектическую структуру.

Пайку оловянно-свинцовыми припоями производят обычно при нагреве паяльником.

7.10. Свинцовые припои

Олово ввиду его дефицита стремятся заменить в припоях другими металлами. Разработаны низкооловянистые и безоловянистые припои, главным образом на основе свинца. Свинец в чистом виде в качестве припоя оказался непригодным, так как очень плохо смачивает металл. Некоторое распространение получили сплавы свинца с серебром, кадмием и цинком. Добавка к свинцу серебра, снижая температуру плавления припоев, увеличивает их прочность и смачивающую способность. Свинцовые припои по сравнению с оловянно-свинцовыми имеют более высокие температуры плавления и, следовательно, могут обеспечивать работу паяных соединений в условиях большего нагрева. Однако по своим технологическим свойствам они значительно хуже оловянно-свинцо- вых. Добавка олова в свинцово-серебряные припои улучшает их смачиваемость и растекаемость, а также снижает склонность к коррозии во влажной атмосфере.

Марки и основные свойства оловянно-свинцовых припоев приведены в прил. 2.

7.11.Кадмиевые припои

Вкачестве кадмиевых припоев применяются сплавы кадмия

соловом, цинком и серебром. Основным достоинством кадмиевых припоев является более высокая по сравнению с оловянно-свин- цовыми припоями прочность и пластичность. Кадмиевые припои обладают также повышенной температурой плавления, поэтому они могут применяться для пайки деталей, работающих в условиях на-

74

ГЛАВА 8. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ТЕХНОЛОГИИ ПАЙКИ

Технология пайки включает комплекс последовательно выполняемых операций, основными из которых являются подготовка поверхностей соединяемых деталей к пайке, сборка, пайка, контроль и обработка деталей после пайки. Получение качественных паяных соединенийнезависимоотприменяемогоспособапайкипредусматривает:

тщательную очистку поверхности соединяемых деталей перед пайкой от загрязнений и окисных пленок, так как наличие загрязнений

иокисных пленок препятствует взаимодействию между основным материалом и расплавленным припоем и, следовательно, образованию качественногопаяного шва;

соблюдение при сборке под пайку установленных чертежом соединительных зазоров с точностью до десятых, а иногда и до сотых долей миллиметра;

удаление окисной пленки с соединяемых поверхностей основного металла и припоя в процессе пайки;

равномерный нагрев соединяемых поверхностей деталей до температуры пайки.

Только соблюдение этих общих для всех способов пайки условий гарантирует высокое качество паяных соединений.

Процесс подготовки поверхности включает в себя очистку ее от загрязнений и окисных пленок, а в некоторых случаях нанесение покрытий, улучшающих условия пайки и повышающих прочность

икоррозионную стойкость паяных соединений.

Загрязнения жирового происхождения и смазка удаляются с поверхности деталей обезжириванием, т.е. погружением их в водные растворы щелочей, после чего во избежание коррозии детали промываются в воде и сушатся.

Для обезжиривания сталей чаще всего используются горячие щелочные растворы, например 10 %-ный раствор едкого натра при температуре 70–80 °С. Детали из меди и медных сплавов обезжири-

76

ваются в растворах более сложного состава, например тринатрий фосфат – 50 г, сода кальцинированная – 50 г, жидкое стекло – 15 г, вода 1 дм3 (л). Рабочая температура раствора в ванне 60–30 °С, детали выдерживают в ней от 1 до 30 мин в зависимости от состояния поверхности. Дляобезжиривания применяют также органические растворители: бензин, четыреххлористый углерод, ацетон, трихлорэтилен.

Для удаления загрязнений и смазки с мелких деталей сложной формы иногда применяют ультразвуковую очистку в специальных ваннах, в которых промывочная среда подвергается колебаниям ультразвуковой частоты.

Окисные пленки с поверхности деталей при подготовке под пайку удаляются механическими или химическими средствами. В качестве механических средств зачистки для сталей, меди и ее сплавов, никеля, никелевых сплавов применяют обдувку песком иди дробью, обработку режущим инструментом, шлифовальным кругом, металлической проволочнойщеткойит.п.

При подготовке под пайку поверхности алюминия, магния, титана, сплавов на их основе лучшие результаты дает не механическая зачистка, а травление. В массовом производстве травление применяют для всех металлов и сплавов. Для большинства металлов методы травления под пайку аналогичны методам подготовки деталей под гальванические покрытия, поэтому для указанных целей можно использовать травильные ванны гальванических цехов.

После травления, промывки и сушки детали во избежание окисления должны немедленно поступать на сборку и пайку.

В ряде случаев перед пайкой на поверхность деталей наносят такие легкопаяемые металлы, как медь, никель и серебро, которые улучшают процесс смачивания труднопаяемых металлов и в процессе пайки полностью растворяются. Эти покрытия играют роль либо барьерных, либо покрытий-припоев. В качестве барьерных покрытий наносят такие металлы, которые предохраняют разнородные паяемые металлы от активного взаимодействия в процессе пайки и, следовательно, от возникновения хрупких интерметаллидов в паяном шве.

77

В последние годы находят промышленное применение по- крытия-припои, наносимые на паяемые детали гальваническим путем, испарением в вакууме, металлизацией или другими способами. Иногда наносят не припой, а только один из его компонентов. Например, если на медную деталь нанести серебро, то в процессе пайки образуется эвтектика серебро–медь, т.е. стандартный серебряный припой ПСр-72.

При сборке деталей и узлов под пайку производится фиксация отдельных их частей относительно друг друга, устанавливается равномерный соединительный зазор, наносятся флюс и припой, а также принимаются меры по ограничению растекания припоя по поверхности, не подлежащей пайке. От того, насколько точно собраны и хорошо закреплены элементы паяемого изделия, зависит его прочность и соответствие размерам чертежа.

При сборке изделий простой формы из толстостенных элементов можно применять самые простые способы фиксации, такие как кернение, точечная сварка, клепка и т.п. Для деталей сложной конфигурации при наличии тонкостенных элементов, нагрев которых при пайке может вызвать коробление, необходимо применять приспособления, которые бы надежно фиксировали отдельные элементы изделия и позволяли им равномерно нагреваться и охлаждаться в процессе пайки.

При пайке тонкостенных конструкций для прижатия элементов изделия и соблюдения равномерного зазора применяют также вакуум, который создается в тонкостенном контейнере или непосредственно в объеме паяемой детали. При пайке толстостенных конструкций равномерный прижим в процессе пайки, наряду с созданием вакуума может быть осуществлен специальным стальным тонкостенным сосудом (мешком), в который подается избыточное давление нейтрального газа, или с помощью избыточного давления непосредственно в контейнере.

Способы нанесения флюса на место пайки зависят от применяемого нагрева. При пайке в печи на предварительно обезжиренные места пайки наносится флюс в виде паст или в виде тонкого

78

слоя из кипящего насыщенного водного раствора тетрабората натрия, борной кислоты или флюсов на их основе. При пайке в соляных ваннах флюсующей средой является расплав солей. При пайке погружением в оловянно-свинцовые и другие легкоплавкие припои флюсование производятся путей погружения деталей на 3–5 мин

вводный раствор хлористого цинка, после чего они погружаются

врасплавленный припой. При пайке газовыми горелками порошкообразные флюсы во избежание сдувания газовым пламенем обычно разводят водой и в таком виде наносят на шов перед пайкой. В процессе пайки флюс можно вносить на разогретом конце припоя. При пайке паяльником флюс наносится перед пайкой с помощью кисти. Количество наносимого перед пайкой флюса в каждом случае определяется опытным путем.

Необходимое количество припоя в соединительный зазор вводят или при сборке, или в процессе пайки. Из пластичных припоев могут изготавливаться кольца, шайбы, втулки и т.п., устанавливаемые в соединительный зазор, в специальные проточки в паяемых элементах деталей или сверху шва. Хрупкие или малопластичные припои изготавливаются в виде литых прутков, применение которых возможно только при ручной пайке горелками или паяльником. Из хрупких припоев более целесообразно приготавливать порошки, которые потом смешиваются с флюсом или специальным связующим и наносятся на местопайки ввидепаяльныхпорошковилипаст.

Внеобходимых случаях припой закрепляют точечной сваркой или приклеивают акриловой смолой. Большое значение при сборке имеет точная дозировка количества вносимого припоя, что наряду

сэкономией устраняет необходимость зачистки шва после пайки.

Иногда для ограничения растекания припоя при пайке места, подлежащие защите, покрывают известковым или меловым раствором, пастой из окислов алюминия, хрома, титана, замешенной на воде или спирте.

При пайке стали медью для предупреждения растекания припоя места, подлежащие защите, хромируют. Образующаяся при нагреве поверхностная пленка окислов хрома препятствует смачива-

79

нию детали медью. Ограничить растекание припоя можно охлаждением детали сразу после образования в паяном шве галтелей. Однако наилучшим способом предупреждения растекания припоя является точная дозировка припоя и соблюдение режима пайки.

Выбор способа пайки определяется конструкцией паяемой детали, материалом, из которого она изготовлена, применяемым припоем, количеством изготавливаемых деталей и оснащенностью предприятия оборудованием. При изготовлении небольшого количества деталей экономически целесообразно применять пайку газовой горелкой. При наличии на предприятия соответствующего оборудования для этой цели могут быть использованы индукционные и другие способы нагрева. При массовом производстве деталей наиболее рациональна механизированная пайка в печах с применением контролируемых газовых сред.

Процесс пайки предполагает соблюдение определенного режима (температура и условия нагрева, длительность выдержки при температуре пайки и условия охлаждения). Минимальная температура нагрева при пайке, необходимая для заполнения зазора припоем, равна температуре перехода припоя в жидко-твердое состояние или на несколько градусов выше ее. Эта температура называется минимальной температурой пайки. В обычных условиях пайка производится при более высокой температуре – рабочей. Рабочая температура пайки – это оптимальная температура, при которой припой активно взаимодействует с паяемым материалом и заполняет соединительный зазор с образованием качественного паяного соединения. Повышение температуры пайки улучшает условия растекания припоя по паяемой поверхности и ускоряет процессы диффузионного взаимодействия между припоем и основным металлом. Однако это, в свою очередь, может привести к структурным изменениям в основном металле за счет выделения эвтектических, карбидных и других составляющих и, следовательно, к снижению механических и коррозионных свойств. Изменения эти особенно заметны при пайке закаленных сталей, нагрев в которых выше температуры высокого отпуска резко снижает их прочность. Высо-

80