1.3. Особенности пайки меди

Технически чистая медь М1 имеет высокие теплопроводность и электро­проводность и достаточно высокую коррозионную стойкость. Она устой­чива к атмосферной коррозии вслед­ствие образования на ее поверхности тонкой защитной пленки, состоящей из окисла Си₂О. Медь — относительно прочный (в = 240 МПа) и пластичный металл ( = 45—50%). С уменьшением содержания в меди газовых примесей ее пластичность возрастает до 62%. При повышенных температурах проч­ность меди уменьшается, а пластич­ность возрастает. Ценным свойством меди является ее способность сохра­нять высокую пластичность до тем­пературы жидкого гелия (—269°С) [1].

Для повышения прочности меди и придания ей особых свойств (жаро­прочности, коррозионной стойкости и др.) ее легируют различными до­бавками. Сплавы на основе меди об­ладают высокими механическими свойствами и другими ценными ка­чествами.

Поэтому во многих отраслях техники для изделий, работающих в условиях повышенных и криогенных температур, в качестве основного металла широко применяются медь и ее сплавы, имею­щие необходимый комплекс свойств. Пайка этих материалов может про­изводиться всеми известными спосо­бами.

К числу особенностей меди и ее сплавов, влияющих на выбор способа пайки, относятся химическая стой­кость оксидов; содержание во многих сплавах легкоиспаряющихся элементов — цинка, кадмия, марганца; склонность кислородсодер­жащей меди и некоторых ее сплавов к водородной хрупкости; повышенная способность меди образовывать интерметаллиды с некоторыми компонентами припоев; повышенная способность меди и ее сплавов к хрупкому разрушению в контакте с жидкими припоями; повышенная горячеломкость некоторых медных спла­вов [4].

По степени трудности получения паяных соединений медные сплавы можно разделить на две группы:

1. медь и ее сплавы, об­разующие при нагреве под пайку и в процессе пайки оксиды с не­высокой свободной энергией образования и поэтому относительно легко удаляемые при флюсовой пайке;

2. сплавы, при нагреве на которых возникают оксиды с высокой свободной энергией их обра­зования.

К первой группе медных сплавов относится сама медь и ее сплавы, содержащие в основном следующие элементы: цинк, оло­во, свинец, фосфор, сурьму, железо, никель, марганец.

Обычное окисление поверхностного слоя меди на воздухе идет в основном по уравнению [4]

2Сu + О₂ + Н₂0 + СО = (СuОН)₂СО₃.

При содержании в воздухе S0₂ параллельно может протекать реакция [4]

8Сu + 5О₂ + Н₂О+ SО₂ = 2(СuSО₄·3Сu(ОН)₂).

В присутствии Н₂S образуется черная пленка из Сu₂S и СuS. Заметное взаимодействие меди с кислородом наступает уже при 200°С и идет по схеме Cu→Cu₂O→CuO. Оксид меди СuО на­чинает образовываться лишь после получения пленки оксида Сu₂О достаточной толщины (>0,25 мкм), что обусловлено тем, что такой процесс последовательного окисления развивается в основном в результате диффузии (сквозь пленку оксида СuО) ато­мов меди к кислороду (к поверхности). Первоначальная стадия окисления меди малозаметна, так как оксид Сu₂О мало отличает­ся по цвету от меди. Оксид СuО довольно устойчив, и его распад на Сu₂О и Сu начинается лишь при температуре около 800°С, а в чистом кислороде при температуре 1100°С [5].

На воздухе медь окисляется сравнительно быстро. Скорость роста оксидной пленки на меди зависит от температуры и времени нагрева. При температуре 495°С через 1 с толщина оксидной пленки достигает 1,8 мкм, че­рез 50 с – 5 мкм, через 70 с – 17 мкм. Для сохранения очищенной поверхности меди от окисления на нее наносят лужением слой при­поя Sn-Рb или Sn толщиной 3-5 мкм. Слой полуды из олова со­храняет паяемость меди весьма длительно; слой полуды из при­поев типа ПОС из-за образования при вылеживании на его гра­нице с медью хрупких прослоек интерметаллидов ухудшает паяемость луженой меди, так как в результате расхода олова из слоя полуды припоями типа ПОС на образование химических со­единений луженая поверхность обогащается свинцом.

На поверхности сплавов системы Сu-Zn-Sn (а также спла­вов меди, содержащих Рb, Аs, Fe, Ni, Мn) образуются оксиды на основе СuО и Сu₂О или оксиды на основе других элементов первой группы периодической системы со сравнительно невысокой свобод­ной энергией их образования, а потому относительно легко диссоциирующих при низкотемпературной пайке. Тонкие слои оксидов Сu₂О и СuО растворимы в канифоли.

Наиболее широко применяется пайка паяльником, газовыми горелками, по­гружением в расплавленный припой и в печах. Пайка низкотемператур­ными припоями нашла большое при­менение благодаря простоте и общедо­ступности этого способа. Ограничения в ее применении вызваны лишь тем, что паяльником можно осуществлять пайку только тонкостенных деталей при температуре 350°С. Массивные детали вследствие большой теплопроводности, превышающей в 6 раз теплопроводность железа, паяют газовыми горел­ками. Для трубчатых медных тепло­обменников применяется пайка по­гружением в расплавы солей и при­поев. При пайке погружением в рас­плавы солей используют, как правило, соляные печи-ванны. Соли обычно служат источником тепла и оказывают флюсующее действие, поэтому допол­нительного флюсования при пайке не требуется. При пайке погружением в ванну с припоем предварительно офлюсованные детали нагревают в рас­плаве припоя, который при темпера­туре пайки заполняет соединительные зазоры. Зеркало припоя защищают активированным углем или инертным газом. Недостатком пайки в соляных ваннах является невозможность в ряде случаев удаления остатков солей или флюса.

Широкое распространение в промы­шленности находит пайка в печах, поскольку при этом обеспечивается равномерный нагрев соединяемых из­делий без их деформации даже при больших габаритах изделий [З].

При пайке изделий из меди оловянно-свинцовыми и другими легкоплав­кими припоями используют обычно канифольно-спиртовые флюсы, водные растворы хлористого цинка или хло­ристого аммония [5, 6].

Пайка серебряными припоями ус­пешно идет при применении флюсов на основе соединений бора и фтористых соединений калия. Эти флюсы хорошо очищают поверхность меди от окисной пленки и способствуют растеканию припоя. Недостатком флюсовой пайки меди является трудность получения при этом способе герметичных соединений. Кроме того, остатки флюса являются очагами коррозии. Поэтому пайку меди чаще всего осуществляют в вос­становительных или нейтральных га­зовых средах. В азоте пайку меди мо­жно производить при температуре 750-800 °С.

Недостатки этого метода — слож­ность оборудования по очистке азота, а также невозможность осу­ществлять пайку при температуре ни­же 750 °С [4, 6]. Применяется пайка меди и в среде аргона припоем ЛС59-1 с дополнительным флюсованием мест пайки водным раствором буры.

Пайку в вакууме успешно применя­ют для соединений многих металлов, в том числе и меди. Этот вид пайки достаточно экономичен, совершенно бе­зопасен и производится в вакуумных печах или контейнерах, загруженных в обычные печи. Паяные швы, полу­ченные при использовании нагрева в вакууме, отличаются чистотой ис­полнения, прочностью металла шва и высокой коррозионной стойкостью. К недостаткам способа пайки в ваку­уме следует отнести сложность при­меняемого оборудования [2, З]. Соединение меди при низкотемпера­турной пайке производится стан­дартными оловянно-свинцовыми при­поями ПОССу 30—0,5; ПОС 40; ПОССу 40—0,5, ПОС 61 и свинцово-серебряными припоями ПСр 1,5; ПСр 2,5; ПСр 3 с использованием флю­сов на основе хлористого цинка или канифольно-спиртовых. Соединения, паянные оловянно-свинцовыми при­поями, теплостойки до температур 100—120 °С. При снижении темпера­туры до —196…—253 °С предел проч­ности этих соединений увеличивается в 1,5—2,5 раза, достигая 45—75 МПа, при этом пластичность соединений резко снижается.

Хрупкость оловянно-свинцовых и паянных ими соединений при низких температурах объясняется аллотро­пическим превращением олова и об­разованием в шве хрупких интерметаллидов, которые при низких тем­пературах являются очагами развития трещин [5]. Для оловянно-свинцовых сплавов, содержащих менее 15% олова, падения ударной вязкости не происходит. Это обусловлено тем, что свинец, являясь основой

сплава, с понижением температуры увеличивает ударную вязкость, давая до всех случаях вязкий излом. Высо­кая пластичность свинца делает его нечувствительным к надрезу. Поэтому вполне закономерны стремления при­менять для пайки изделий криогенной техники припои на основе свинца с содержанием олова менее 15%. Однако практика их применения пока­зала, что они нетехнологичны, плохо смачивают паяемый металл и не за­текают в соединительные зазоры. На­пример, применение припоя на основе свинца, легированного серебром (при­пой ПСр 3), позволяет получать теп­лостойкие и хладостойкие соединения из меди. Введение в этот припой 5 % Sn (ПСр 2,5) улучшает его техноло­гические свойства, однако при 20 °С соединения, паянные припоями ПСр 3 и ПСр 2,5, имеют низкую прочность; предел прочности при срезе 12— 18 МПа.

Легирование свинца оловом до 16 % и кадмием до 5 % делает припой ПСр 1,5 более технологичным, однако он становится малопластичным даже при температуре 20°С. Применение кадмиевых припоев тре­бует специального навыка, так как технологичность их значительно ниже, чем у оловянно-свинцовых. Соедине­ния меди кадмиевыми припоями ПСр 5КЦН, ПСр 8КЦН теплостойки до температуры 350 °С, но отличаются низкой прочностью (в = 29 МПа) из-за образования в шве хрупких интерметаллидов; нехладостойки.

Припои на основе цинка редко при­меняют для пайки меди ввиду интен­сивного растворения ее в расплаве припоя. При этом предел прочности на срез не превышает 15 МПа. Цинко­вые припои, легированные медью и серебром, также плохо растекаются по меди. Легирование этих припоев оловом и кадмием (ПЦА 8М, ПЦКд ПСрСУ 25—5—5) хотя и несколько улучшает их растекаемость, но швы становятся хрупкими. ., Для пайки меди находят также при­менение припои на основе медно-фосфористой эвтектики с добавлением серебра. Швы, паянные этими при­поями, достаточно прочны (в = 250— т-300 МПа), теплостойки до 800°С, но непластичны. В условиях низких температур прочность соединений ме­ди, паянных этими припоями, увели­чивается, но пластичность резко па­дает.

Широкое применение для пайки медных конструкций находят припои ПСр 45, ПСР 40, ПСр 25, ПСр 12. Пайку этими припоями осуществляют нагревом ацетилено-кислородным пла­менем или в печах с использованием коррозионно-активных флюсов ПВ209, ПВ284Х. После пайки остатки флюса необходимо удалять промывкой в го­рячей воде. Пайку теплообменной ап­паратуры осуществляют с применением припоя ПСр 72 или ПСр 71 в вакууме.

При пайке изделий из медных спла­вов, конструкция которых позволяет производить пайку под давлением, в качестве припоя можно использовать серебряное покрытие (10—25 мкм) или тонкую серебряную фольгу. При нагреве выше 779°С медь взаимодейст­вует с серебром с образованием в шве сплава типа припоя ПСр 72. Пайка этим методом (контактно-реактивным) осуществляется без применения флю­са — в вакууме или в инертной среде. Припои па медной основе тугоплавки и вызывают растворение (эрозию) ос­новного металла, поэтому для пайки меди их применяют реже, чем серебряные.

Диффузионная пайка меди может быть выполнена галлием, индием, оло­вом, свинцом, припоями ПОССу 40—2, ПОС 61 путем поджатия деталей в ва­кууме или аргоне при температурах 650—800 °С и длительных выдерж­ках. Припой в место пайки можно на­носить напылением в вакууме, галь­ваническим способом или в виде тон­кой фольги.

Капиллярную пайку меди низко­температурными припоями можно произодить при зазорах 0,05—0,5 мм и температурах 650—900°С в вакууме или аргоне. При этом соединения меди, паянные индием, галлием, оловом, припоями ПОС 61 и ПОС 40, хрупкие и малопрочные, предел прочности на срез не превышает 40—70 МПа.

При пайке меди свинцом соединения хотя и малопрочны, но пластичны. При применении припоя системы Рb—Аg—Sn—Ni (ПСр 7,5) можно обеcпечить предел прочности при растяжении 140 МПа с достаточно высокой пластичность