1086

ГЛАВА 12. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПАЙКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Применяемые в промышленности материалы и сплавы существенно отличается друг от друга по составу и физико-химическим свойствам, поэтому они требуют различного подхода к решению задач, связанных с подготовкой их к пайке, удалением окисной пленки в процессе пайки, выбором припоя и режимов пайки.

12.1. Пайка меди и ее сплавов

Окисная пленка на поверхности меди и ее наиболее распространенных сплавов – латуней, оловянистых бронз и медно-нике- левых сплавов – легко восстанавливается в газовых средах или удаляется флюсами, поэтому процесс пайки этих металлов возможен всеми известными способами.

Подготовка поверхностей деталей к пайке включает механи-

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

Удаление продуктов коррозии и оксидных пленок механическим способом производят с помощью режущего инструмента (напильника, шлифовального круга, шабера), а также наждачной бумаги, проволочной сетки. Для повышения производительности при обработке протяженных или сложнопрофилированных изделий применяют гидроабразивную очистку с помощью струи жидкости или вращающихся щеток из синтетического материала с добавлением в моющий состав абразивных частиц. Образование шероховатой поверхности после механической обработки способствует увеличению растекания припоя, так как риски на поверхности являются мельчайшими капиллярами.

111

Удаление поверхностных пленок, препятствующих смачиванию расплавленным припоем, осуществляется как химическими, так и электрохимическими способами. Химическое обезжиривание деталей проводят в 5 %-м растворе щелочи или в органических растворителях (ацетон, бензин, спирт, четыреххлористый углерод), спиртобензиновых и спиртофреоновых смесях путем протирки, погружения, распыления, обработки в паровой фазе или ультразвуковой ванне. Очищенные детали необходимо немедленно направлять на сборку и пайку, так как паяемость меди сохраняется 3–5 суток, а серебра 10–15 суток. Поэтому для обеспечения межоперационного хранения деталей и компонентов на их поверхности наносят металлические покрытия, которые улучшают процесс смачивания припоем и сохраняют паяемость в течение длительного времени. В качестве таких покрытий используют легкоплавкие припои (ПОС 61, ПОСВ 33 и др.), сплавы олова с висмутом или никелем, золото, серебро, палладий и другие металлы, которые наносят погружением в расплав, гальваническим или термовакуумным осаждением, а также плакированием. При первом методе погружение производят в расплавы припоев после предварительного флюсования. Гальванические покрытия благородными металлами наносят толщиной 3–6 мкм, остальными – 6–9 мкм. Пленки, полученные термовакуумным осаждением, отличаются высокой равномерностью, отсутствием окисления покрытия, однако имеют малую толщину (0,1–1,0 мкм). Плакирование осуществляется совместной прокаткой паяемого металла и металла покрытия; при этом обеспечивается равномерная толщина покрытия (100–150 мкм). После выполнения подготовительных операций или межоперационного хранения контролируется пригодность деталей к пайке путем оценки паяемости.

Для ультразвукового обезжиривания используют ванны УЗВ-0,1, УЗВ-0,25, УЗВ-0,4, работающие на частотах 18–22 кГц в докавитационном режиме, который обеспечивает получение интенсивных микропотоков в моющей жидкости, что гарантирует высокое качество очистки мелких деталей и ускоряет процесс в 5–10 раз.

112

Толстые слои оксидных пленок удаляют травлением в растворах кислот или щелочей. Состав раствора определяется видом металла, толщиной оксидной пленки и требуемой скоростью травления. Электрохимическое травление ускоряет процесс растворения оксидных пленок и проводится при плотности тока 2–5 А/дм2. После травления деталитщательнопромываютв нейтрализующихрастворах.

При пайке медных сплавов, легированных такими активными металлами, как алюминий, бериллий, хром и другими, целесообразно покрывать их перед пайкой слоем никеля или меди толщиной 5–10 мкм. По никелю и меди припой хорошо растекается без флюса не только в восстановительной среде, но даже в вакууме или инертной атмосфере с образованием прочных паяных швов.

Для высокотемпературной пайки меди чаше всего используют серебряные припои и реже припои на медной основе, потому что последние сравнительно тугоплавки и вызывают местное растворение основного металла в процессе пайки. Сравнительно легкоплавкими являются медно-фосфористые припои, которые дают удовлетворительные результаты при пайке меди, но применение их недопустимо дляпайки латунейиз-заобразования весьмахрупкихфосфидовцинка.

При соединении деталей из медных сплавов, конструкция которых позволяет сжимать паяемые поверхности между собой, в качестве припоя можно использовать серебряное покрытие (10–20 мкм) или тонкую серебряную фольгу. Находясь в тесном контакте с медью, серебро образует в зазоре при нагреве выше 780 °С припой типа ПСр72. Пайка этим (контактно-реактивным) методом производится обычно в вакууме или в газовых средах без применения флюса.

12.2. Пайка сталей

Углеродистые и низколегированные стали обладают сравнительно низкой прочностью, но они дешевы и поэтому широко используются, особенно в строительных конструкциях. Процесс пайки этих сталей не вызывает особых затруднений и может быть осуществлен всеми известными способами. Особенно легко протекает пайка низко-

113

углеродистых сталей. При пайке высокоуглеродистых сталей требуетсялишьболеетщательная подготовка соединяемыхповерхностей.

Высокотемпературную пайку углеродистых и низколегированных сталей производят обычно медью, медно-никелевыми и другими припоями на медной основе. Серебряные припои хотя и образуют высокопрочные швы, но из-за дефицитности применяются редко.

При пайке в контролируемых средах углеродистых и низколегированных сталей самым распространенным способом является пайка медью в печи с восстановительной атмосферой.

Пайка углеродистых и низколегированных сталей при низких температурах производится главным образом оловянно-свинцовыми и свинцовыми припоями.

Высоколегированные конструкционные стали. Эти стали также можно паять всеми способами. Затруднения в процессе пайки встречаются только в тех случаях, когда легирующие элементы, например хром, образуют на поверхности стали химически устойчивые окислы. В этом случае применяют более активные флюсы, а в качестве газовой среды используют трехфтористый бор в смеси с азотом или аргоном.

При пайке закаленных высоколегированных сталей следует иметь в виду возможность отжига в процессе пайки и, следовательно, снижение их механических свойств. Во избежание этого пайку ведут при температуре высокого отпуска (620 °С) с применением припоя ПСр40 и флюсов № 284 или 209, которые обеспечивают получение высококачественных паяных соединений.

Возможен и другой вариант высокотемпературной пайки конструкционных сталей без снижения прочности основного материала. Это – совмещение процесса пайки с закалкой и последующим отпуском. Такая термическая обработка паяных изделий дает возможность не только сохранить прочность основного металла, но и существенно повысить прочность паяных соединений.

Нержавеющие и жаропрочные стали. В связи с высоким со-

держанием хрома поверхность этих сталей покрыта химически устойчивой окисной пленкой. Поэтому пайка данных сталей представляет

114

некоторые затруднения. Так, например, окисная пленка на нержавеющих и жаропрочных сталях в газовых восстановительных средах восстанавливается при температуре около 1200 °С, поэтому при пайке нержавеющих и жаропрочных сталей в качестве восстановительной атмосферы часто используют трехфтористый бор в смеси с инертными газами, который более активен и восстанавливает окислы при более низких температурах, длительный нагрев нержавеющих аустенитных сталей при температуре 500–700 °С делает их склонными к интерметаллической коррозии, поэтому нагрев под пайку и охлаждение после пайки нужно производить быстро. Для предупреждения трещинообразования при пайке сталей нужно следить за тем, чтобы в процессе нагревадетали ненаходилисьвнапряженном состоянии.

12.3. Пайка никеля и его сплавов

Электротехнические никелевые сплавы типа монель-металл

иконстантан, представляющие собой сплавы никеля с медью и железом, имеют на своей поверхности химически нестойкую окисную пленку, которая легко восстанавливается в газовых средах, удаляется флюсами и при высокотемпературной пайке в вакууме разлагается на кислород и металл. Поэтому пайка этих сплавов никаких затруднений не вызывает. При пайке можно применять припои, флюсы и газовые среды, рекомендованные длясталей имедныхсплавов.

Значительно труднее паять жаропрочные сплавы на основе никеля (нихромы), поверхность которых покрыта весьма стойкой окисной пленкой. Перед пайкой нихромы нужно покрывать слоем никеля толщиной 7–10 мкм, который обеспечивает хорошее смачивание паяемых поверхностей в вакууме и нейтральных средах без применения флюса.

При пайке нихромов жаропрочными припоями с местным нагревом рекомендуется применять флюсы № 200 и 201, а при пайке серебряными припоями – флюсы № 284 и 209.

Если от паяных соединений требуется высокая жаростойкость

икислотостойкость, то применяют припои на никельхромовой ос-

115

нове, легированные для снижения температуры плавления марганцем, бором или кремнием.

12.4. Пайка чугуна

Основная трудность при пайке чугуна – наличие в его структуре графита, затрудняющего смачивание поверхности основного металла расплавленным припоем.

Для удаления графита обычно применяют пескоструйную обработку с последующим выжиганием графита окислительным пламенем газовой горелки или электрохимическую обработку в соляной ванне при температуре 450–510 °С.

Для удаления окисной пленки и защиты чугуна от окисления более целесообразно применять активные флюсы № 209 и 284, которые растворяют графит на поверхности чугуна в процессе пайки и благодаря этому обеспечивают надежное смачивание припоем соединяемых поверхностей. При пайке чугунов в качестве припоев применяют обычно сплавы на медной основе, например латуни, иногда – серебряные припои, содержащие никель, которые имеют сравнительно низкую температуру плавления и образуют прочные паяные соединения.

12.5.Пайка инструментальных сталей

итвердых сплавов

Вкачестве инструментальных иногда применяются высокоуглеродистые стали, содержащие 0,6–1,2 % углерода. Такие стали можно паять всеми способами с учетом технологических рекомендаций по пайке конструкционных сталей и чугуна.

Быстрорежущие стали с высоким содержанием вольфрама (до 18 %), хрома (до 5 %), ванадия (до 4 %) припаивают к корпусу инструмента из конструкционных сталей высокотемпературными никелевыми припоями или ферросплавами, например ферромарганцем, содержащим 70–80 % марганца. Пайку инструмента из быст-

116

рорежущих сталей производят в газопламенных печах, погружением в соляные ванны, а также индукционным способом с использованием флюсов № 200 и 201.

В настоящее время наибольшее распространение получил твердосплавный инструмент. Поверхность твердых сплавов трудно смачивается расплавленными припоями, поэтому флюсование их при пайке только боридными флюсами недостаточно, следует использовать бо- лееактивныеборидно-фторидные флюсы, например №200, 201 идр.

Для пайки твердосплавного инструмента широко используются медно-цинковые припои типа Л-62, легированные для повышения теплостойкости небольшими добавками никеля, марганца или алюминия. Иногдаприменяютболеежаропрочныемедно-марганцевыеприпои.

Твердосплавный инструмент можно паять различными способами, но наиболее перспективными являются пайка способом погружения и индукционная, которые дают возможность механизировать и даже автоматизировать этот процесс.

12.6. Пайка титана и его сплавов

Титан и титановые сплавы обладают высокой химической активностью по отношению к газам. При взаимодействии с воздухом титан окисляется и образует нитриды, поэтому газовые атмосферы, содержащие азот и водород, для пайки титана и титановых сплавов непригодны.

На поверхности титана всегда имеется альфированный слой, насыщенный атмосферными газами. Перед пайкой этот слой необходимо удалить пескоструйной обработкой или травлением.

Обычно пайку титана и его сплавов ведут в среднем вакууме или в аргоне состава А. Только в такой чистой атмосфере или в вакууме окисная и нитридная пленки на титане растворяются в металле при условии, что температура пайки выше 700 °С. Поэтому процесс пайки титана ведут обычно при температуре 800–900 °С, что способствует быстрой очистке поверхности титана и хорошему смачиванию его припоями.

117

При выборе припоя, способа и режимов пайки необходимо иметь в виду, что титан образует хрупкие интерметаллиды в паяном шве почти со всеми элементами, входящими в припои. Поэтому в качестве основы припоя часто выбирают серебро, которое с титаном образуетменее хрупкиеинтерметаллиды, чемсдругимиметаллами.

При пайке титана с разнородными металлами, особенно при высокой температуре, паяные соединения получаются очень хрупкими и непрочными. Так, при пайке титана с медью серебряным припоем прочность паяного соединения, как правило, не превышает 100 МПа (10 кг/мм2), что объясняется тем, что титан и медь быстро растворяются припоем в процессе пайки и образуют в паяном шве хрупкие интерметаллиды. Чтобы избежать этого и повысить прочность паяемых соединений, на титан или на оба соединяемых металла наносят такие покрытия, которые хорошо поддаются пайке и вместе с тем надежно защищают паяемые металлы от взаимодействия с припоем. На титан в качестве барьерных покрытий целесообразно наносить тугоплавкие металлы, которые образуют в контакте с титаном пластичные твердые растворы.

12.7. Пайка алюминия и его сплавов

При пайке алюминия удаленная механическими способами окисная пленка почти мгновенно образуется вновь.

Наиболее надежные паяные соединения удается получить при пайке алюминия и его сплавов припоями на основе алюминия, у которых разность нормальных электродных потенциалов с основным металлом незначительна, и поэтому они не вызывают коррозии в зоне паяных швов. При пайке променяют активные флюсы типа 34А, интенсивно удаляющие окисную пленку алюминия в процессе пайки. Перед пайкой поверхность алюминиевых деталей очищается путем травления в щелочах, затем осветляется в азотной кислоте

споследующей промывкой в воде.

Вкачестве припоя чаще всего используют эвтектические сплавы наосновеалюминия, например силуминилиприпой34А.

118

При пайке горелкой ацетилено-кислородное пламя применять нежелательно, так как оно взаимодействует с флюсом и снижает его флюсующие свойства. Предпочтительнее бензиноили газовоздушное пламя, оно не ослепляет паяльщика и дает ему возможность производитьпайку безочков.

При пайке алюминия в печах обычно применяют те же флюсы и припои, что и при пайке горелкой, но наносят их на паяемые детали заранее, для пайки алюминия применяются также пайка трением, абразивная и ультразвуковая. При всех этих способах окисная пленка с паяемых поверхностей удаляется механическим путем, а нагрев припоя до его расплавления осуществляется за счет тепла, выделяющегося при перемещении паяемых поверхностей относительно друг друга либо инструмента по поверхности детали.

12.8.Пайка магниевых сплавов

Вчистом виде магний – низкопрочный материал, слабо устойчив к коррозии, поэтому как конструкционный материал не применяется. Промышленное применение находят сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем и другими металлами.

Трудности пайки магниевых сплавов обусловлены широким интервалом кристаллизации большинства из них, наличием на их поверхности трудновосстановимой окисной пленки и легкой воспламеняемостью при нагреве.

При подготовке деталей из магниевых сплавов к пайке особое внимание уделяется очистке соединяемых поверхностей. Поскольку окислы магния не восстанавливаются в среде водорода и в вакууме, при соединении деталей из магния и магниевых сплавов применяют пайку в печи с использованием флюсов, пайку погружением в расплавы флюсов и пайку горелкой. Вследствие коррозионной активности флюсов, применяемых для пайки магниевых сплавов, соединения должны быть сконструированы так, чтобы облегчить вытеснение флюса расплавленным припоем (зазор порядка 0,2–0,25 мм).

119

В качестве припоев применяют главным образом сплавы на основе цинка, магния и кадмия. При пайке в печи время выдержки должно быть минимальным, чтобы избежать чрезмерной диффузии припоя в основной металл, следствием которой является охрупчивание металла диффузионной зоны паяного соединения.

12.9. Пайка тугоплавких металлов

Вольфрам. При пайке вольфрама требуется особо тщательная очистка поверхности деталей. Очистка производится механическими средствами или травлением в кислотах. Для улучшения смачиваемости вольфрама расплавленными припоями иногда применяют предварительное гальваническое покрытие его никелем или медью. Пайка вольфрама успешно производится во всех защитных и восстановительных средах, но чаще в вакууме, который обеспечивает получение более плотных паяных швов.

Для пайки вольфрама применяют припои с температурой плавления до 3000 °С, в том числе чистые металлы: тантал, ниобий, никель, медь, и сплавы: никель–титан, никель–медь, марганец–никель– кобальт, молибден–бор и др.

Молибден. Затруднения при пайке молибдена вызывают большое сродство его к кислороду и склонность к росту зерна при высоких температурах, поэтому пайку молибдена необходимо производить в глубоком вакууме или в среде аргона, тщательно очищенном от кислорода и паров воды, с применением высокой скорости нагрева.

Перед пайкой молибдена должна быть полностью удалена окисная пленка путем погружения в расплав 70 % NaOH и 30 % Na2CO3 при температуре не выше 400 °С.

В качестве припоя для пайки молибдена пригодно большинство припоев, рекомендованных для пайки вольфрама. Аналогичный подход необходимо соблюдать при разработке технологических процессов пайки и других тугоплавких материалов: тантала, ниобия, бериллия.

120