Справочник по пайке

Глава 4. Флюсы и газовые среды

В условиях складывающихся в со­ временной России рыночных отношений, при которых превалирование на рынке товаров определяется в конечном счете реализацией накопленных знаний в науч­ но-техническом и хозяйственном обороте, особую роль приобретает информация как одно из важнейших средств интенсифика­ ции общественного производства. В этих условиях эффективность и результатив­ ность достигаются там, где своевременно обеспечена научно-техническая информа­ ция и созданы условия для ее реализации в практику производства.

Приоритетные направления научнотехнического прогресса, особенно в новой технике, неизменно связаны с применени­ ем пайки как передового, надежного и высокопроизводительного технологиче­ ского процесса.

Пайка - физико-химический процесс получения соединения в результате взаи­ модействия твердого паяемого и жидкого присадочного металлов соединяемых де­ талей.

Пайка имеет сходство со сваркой плавлением, но между ними имеются принципиальные различия. Если при свар­ ке основной и присадочный материалы находятся в сварочной ванне в расплав­ ленном состоянии, то при пайке паяемый материал не плавится. Формирование шва при пайке происходит путем заполнения припоем зазора между соединяемыми де­ талями, т.е. процесс пайки связан со сма­ чиванием и капиллярным течением, что не имеет места при сварке плавлением. В отличие от сварки плавлением пайка осуществляется при температурах, лежа­ щих ниже температуры плавления паяемо­ го материала.

Одним из преимуществ пайки по сравнению со сваркой плавлением являет­ ся возможность соединения в единое це­

лое за один прием множества заготовок, составляющих изделие. Поэтому пайка, как никакой другой метод соединения, отвечает условиям массового производст­ ва: позволяет соединять разнородные ме­ таллы, а также металлы со стеклом, кера­ микой, полупроводниками, графитом и другими неметаллическими материалами.

При пайке не происходит расплавле­ ния кромок паяемых деталей, что дает возможность сохранить в процессе произ­ водства форму и размеры изделия. При­ менение низкотемпературной пайки со­ храняет неизменными структуру и свойст­ ва металла соединяемых деталей. Важным преимуществом пайки является разъемность паяных соединений, что делает этот процесс незаменимым при монтажных и ремонтных работах в приборостроении.

Благодаря применению рациональ­ ных сочетаний паяемых материалов и припоев и использованию конструкций с оптимальной площадью перекрытия на­ дежность паяных соединений для самоле­ тов в 4 раза выше, а для космических ап­ паратов в 25 раз выше, чем сварных1 Как установлено в исследованиях спаев2, это преимущество пайки перед сваркой опре­ деляется малыми объемами жидкой фазы и, соответственно, высокими скоростями охлаждения, обеспечивающими образова­ ние в шве метастабильных фаз с высокими механическими свойствами.

Первопроходцем становления совре­ менного уровня пайки является Сергей Николаевич Лоцманов, который, еще бу­ дучи слушателем Военно-воздушной

1«Инженерный справочник по космиче­ ской технике». 2-е изд. / Под ред. А. В. Соло­ дова. М.: Воениздат, 1977. С. 163.

2 Петрунин И. Е. Исследование некото­ рых физико-химических процессов при пайке и разработка новых недефицитных припоев. М.: МВТУ им. Баумана. 1970.

инженерной академии им. Н. Е. Жуков­ ского, разработал основы теории и техно­ логии пайки алюминия. Под руководством С. Н. Лоцманова автором и редактором справочника И. Е. Петруниным впервые найдено решение задачи пайки магниевых сплавов, являющихся, как и алюминий, «крылатым» металлом.

Главная же заслуга С. Н. Лоцманова состоит в том, что он создал школу своих учеников и последователей, которая и вы­ двинула пайку в бывшем СССР (а ныне в России) на ведущее место в мире.

Первым учеником С. Н. Лоцманова стал Виктор Петрович Фролов (также один из авторов справочника). Научная деятель­ ность В. П. Фролова тесно связана с иссле­ дованиями, разработкой и созданием ре­ шетчатых крыльев летательных аппаратов, без чего был бы невозможен выход на но­ вые рубежи авиационной и космической техники.

Повышение значимости пайки, по­ теснившей традиционные позиции сварки, произошло во второй половине прошлого столетия после разработки, создания и применения припоев на железной основе. В результате пайка стала основой поточ­ ного производства крупногабаритных стальных строительных металлоконструк­ ций и нашла применение взамен сварки: в производстве решетчатых и трубчатых опор линий электропередачи (ЛЭП), для соединения труб тепловых электростан­ ций, для сочленения бурильных и обсад­ ных труб нефтяных скважин, для пайки стыков магистральных трубопроводов ит.д.

Большой вклад в становление и раз­ витие пайки в России, особенно при соз­ дании новой техники, внесли А. И. Губин, Р. Е. Есинберин, Л. Л. Гржимальский, И. И. Ильевский.

Пайка, как никакой другой технологиче­ ский процесс, связана с широким комплексом физико-химических явлений, протекающих в твердой, жидкой и газовой фазах: восстановле­ ние и диссоциация, испарение и возгонка, сма­ чивание и капиллярное течение, диффузия и растворение, пластифицирование и адсорбци­ онное понижение прочности и т.д.

Основными факторами, определяющими характер взаимодействия твердого и жидкого металлов при образовании спаев, являются электронное строение их атомов, соотношение атомных радиусов, положение элементов в ряду электроотрицательности, валентность и потенциалы ионизации атомов.

Характер взаимодействия важнейших в техническом отношении и наиболее широко используемых в паяных изделиях металлов - железа, меди, никеля, алюминия и магния - с элементами периодической системы элементов Д. И. Менделеева представлен на рис. 1 (разра­ ботано автором).

ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПАЯНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Влияние паяемого металла, припоя и количества жидкой фазы в шве на образо­ вание спаев. Зазоры при пайке применяют обычно в пределах 0,05 0,2 мм, поэтому количество жидкого металла в них незначи­ тельно. Взаимодействие между твердым и рас­ плавленным металлами приводит к изменению состава исходной жидкой фазы; при высоко­ температурной пайке припой особенно интен­ сивно легируется компонентами паяемого ме­ талла. Легирование усиливается в связи с от­ сутствием на нем окисной пленки и наличием вследствие этого непосредственного металли­ ческого контакта с расплавом припоя. При пайке происходит интенсивное растворение паяемого металла в расплавленном припое. Растворение ослабевает, когда в припои вводят компоненты, входящие и в состав паяемого металла. Исходный состав припоя в процессе пайки может меняться не только за счет рас­ творения в нем паяемого металла, но и в ре­ зультате избирательной диффузии компонен­ тов припоя в паяемый металл, испарения наи­ более летучих его компонентов, окисления и удаления в шлак за счет газовой и шлаковой фаз.

Влияние паяемого металла на процесс образования спая сказывается и непосредст­ венно при кристаллизации, которая происходит на готовых поверхностях раздела. Образование зародышей новых кристаллов на поверхности паяемого металла зависит от характера смачи­ вания припоем: чем меньше краевой угол сма­ чивания, тем меньше затрат энергии требуется для образования зародыша. Если краевой угол мал, то для зарождения зародыша кристалла требуется незначительное переохлаждение. Поскольку обязательным условием пайки яв­ ляется смачивание припоем паяемого металла, то условия зарождения центров кристаллиза­ ции при этом весьма благоприятны.

Влияние состояния поверхности паяемого металла приводит к тому, что кристаллизация с самого начала в той или иной степени ориен­ тирована, т.е. имеет место определенное соот­ ношение между формой и размерами кристал­ лической ячейки затвердевающего металла зоны сплавления и паяемого металла. При на­ личии ориентирующего влияния поверхности паяемого металла структура металла шва обра­ зуется в результате развития трех последова­ тельных стадий процесса: на первой стадии ориентирование образующихся кристаллов це­ ликом определяется подложкой; вторая стадия характеризуется появлением двойников и дру­ гих структурных несовершенств в связи с уменьшением ориентирующего влияния твер­ дого металла; на третьей стадии наблюдается поликристаллическая структура или возникает текстура роста.

В зависимости от соотношения парамет­ ров решетки кристаллов паяемого металла и кристаллов, образующихся из расплава, ориен­ тированная кристаллизация может протекать по-разному. Выделяющаяся из расплава новая фаза отличается от паяемого металла видом атомов, типом и параметрами решетки. Обра­ зующиеся из нее кристаллы сопрягаются с подложкой такой гранью, в которой располо­ жение атомов наиболее соответствует распо­ ложению аналогичных атомов в грани кри­ сталла паяемого металла. Вероятность такой кристаллизации будет тем больше, чем меньше различия межатомных расстояний в плоско­ стях сопрягающихся фаз. Так, при осаждении алюминия на монокристаллические пластинки платины, при ориентированной кристаллиза­ ции меди на никель силы притяжения атомов