книги / Справочник по пайке

Рис. 23. Диаграмма состояния сплавов системы кадмий-цинк

Цинковые припои, используемые в зару­ бежной практике, приведены в табл. 84.

Кадмиевые припои. Кадмий как припой находит ограниченное применение. Использу­ ют двойные или многокомпонентные сплавы кадмия с цинком (рис. 23), серебром (рис. 24), оловом, магнием, никелем, свинцом и индием для пайки меди, латуни, алюминия и других металлов (табл. 85).

Изделия, работающие при температурах 280 300 °С, паяют кадмиевыми припоями, содержащими магний и никель; для ультразву­ ковой пайки и лужения алюминия используют кадмиевые припои с оловом.

Со

Припои с серебром обеспечивают термо­ стойкость соединений из меди до 250 °С, до­ бавка в эти припои цинка повышает термо­ стойкость соединений до 300 °С. Механиче­ ские свойства некоторых кадмиевых припоев приведены в табл. 86. На медных сплавах кад­

миевые припои обеспечивают прочность пая­ ных соединений тср =108 196 МПа.

Висмутовые припои. Висмут - металл, имеющий низкие пластичность и прочность, обладает склонностью к трещинообразованию при затвердевании, поэтому он как припой не

используется. Однако сплавы с большим содер­ жанием висмута применяют в качестве припоев с температурой плавления 46 167 °С. Для этих припоев характерно увеличение в объеме при переходе из жидкого состояния в твердое и при дальнейшем охлаждении.

Висмутовые припои плохо смачивают железо и конструкционные стали. Для улучше­ ния смачиваемости эти металлы оцинковыва­ ют, облуживают оловянно-свинцовыми при­ поями или покрывают гальванической медью. Чаще всего висмутовыми припоями паяют медь и латунь в случае, когда не допускается высокий нагрев паяемого материала.

В висмутовые припои вводят кадмий, свинец, олово, цинк, индий, галлий для сниже­ ния температуры плавления и обеспечения необходимых свойств (рис. 25-27).

Химический состав некоторых низкотем­ пературных висмутовых припоев приведен в табл. 87.

Ar C d ,e/o

Т9Г О 10 20 30 40 SO 60 70 ВО 90 100

Жидк

Массовые доли. 01,%

Рис. 26. Диаграмма состояния сплавов системы висмут-олово

Cd

Галлиевые припои. Галлий имеет низ­ кую температуру плавления 29,8 °С, хорошо смачивает материалы, обладает необычайно большой способностью проникать по границам зерен металлов (Sn, In, Cd, Pb, Al), образуя эвтектику (рис. 28-30). При пайке, например, алюминия припоями с большим содержанием галлия последний проникает по границам зе­ рен, что значительно охрупчивает паяное со­ единение при 20 °С и более высоких темпера­ турах. Подобное действие оказывают галлие­ вые припои также и при пайке материалов, значительно растворяющих их и не образую­ щих с ними легкоплавкой эвтектики; припои приведены в табл. 88.

Массовые доли Snf 9/0

10 30 30 60 70 80 90

Т 1 ■

i n *

200

ш

100

30

Аг Sn, %

Рис. 28. Диаграмма состояния сплавов системы галлий-олово

Рис. 29. Диаграмма состояния сплавов системы галлий-индий

Массово/в доли Оа, %

10 203090506070 80 90

Ar Ga,*/o

Рис. 30. Диаграмма состояния сплавов системы галлий-цинк

Химический состав припоев и области их применения указаны в соответствующих раз­ делах настоящей главы.

Композиционные припои состоят из на­ полнителя и более легкоплавкой порошковой составляющей. Температура плавления напол­ нителя должна быть выше температуры пайки. Наполнитель композиционного припоя может быть в виде порошка, гранул и волокон [23]. Припои позволяют осуществлять пайку соеди­ нений с зазорами шириной 0,06 1,5 мм, что очень важно, когда капиллярные силы «уже не работают», а зазор не может быть при сборке равномерным по длине паяного шва. Наполни­ тель, растворяясь в расплавленном припое, повышает вязкость расплава, удерживает его в сравнительно широких зазорах; его частицы выполняют роль дополнительных центров кри­ сталлизации. Благодаря наполнителю умень­ шается количество усадочных дефектов, улуч­ шаются структура паяного шва и эксплуатаци­ онные характеристики паяного соединения в целом. Композиционные припои надежно удерживаются в широких зазорах, что весьма важно также при пайке телескопических со­ единений трубопроводов из коррозионностойких сталей [24].

Паяльные пасты состоят из сплава-при­ поя в порошковом виде, связки и, если это не­ обходимо, флюса. Преимуществами паст перед другими припойными формами являются пре­ жде всего: точность дозировки припоя и флюса при автоматической подаче, отсутствие расте­ кания избытка припоя (хороший товарный вид), возможность подачи припоя в соединения сложной конфигурации. При использовании паст имеется возможность точно знать о расхо­ де материала, который вводится в количестве, достаточном и необходимом для создания ка­ чественного паяного соединения.

Другое преимущество паст заключается в возможности управления их характеристиками. Например, с помощью подбора компонентов можно изменять вязкость паст от более жидко­ го состояния до более густого. Низкая вязкость паст используется в том случае, когда необхо­ димо нанести паяльную пасту на большую поверхность. В этом случае это можно осуще­ ствить с помощью пульверизатора. Более вяз­ кие пасты используются в случае автоматиче­ ского дозирования с помощью различного вида шприцев несколькими точками вдоль предпо­ лагаемого паяного соединения.

Другой характеристикой может являться размер порошковых частиц припоев. Совре­ менный уровень производства позволяет мето­ дами распыления в защитном газе получать широкий интервал дисперсности порошков практически всех известных припоев. Дис­ персность порошка, используемого для приго­ товления паст, определяется величиной зазо­ ров, методом нанесения паст на поверхность соединяемых изделий. Обычно для паяльных паст используется порошок припоя фракции менее 150 мкм.

Пасты также могут по-разному себя вести при нагреве в процессе пайки, обеспечивая самопроизвольное затекание компонентов в соединение в начале нагрева, однако главное требование заключается в том, что компоненты должны находиться только в том месте, куда их нанесли, исключая разбрызгивание и из­ лишнее растекание по поверхности. При этом в некоторых случаях пасты могут заранее наноситься в область образования паяного соединения. Наиболее актуально использова­ ние паяльной пасты при пайке конструкций, имеющих множество паяных соединений (на­ пример, беструбные теплообменники, имею­ щие до нескольких тысяч соединений) и под­ вергаемых одновременной пайке. В качестве флюса может быть использован любой флюс, применяемый при пайке изделия непорошко­ вым припоем. Наиболее современные дости­ жения в области пайки воплотились при созда­ нии низкотемпературных паст, выпускаемых по ТУ 400К«Р» 1805-22-91 (см. табл. 89).

В качестве флюса в порошковых припоях для пайки алюминия и магния применяют сме­ си хлористых и фтористых солей, для высоко­ температурной пайки - флюсы, содержащие боратные соединения.

К связующим веществам в пастообразных припоях предъявляется ряд требований: в про­ цессе пайки они не должны окислять припой и паяемый металл, при выгорании не оставлять на поверхности сажистого остатка, не препят­ ствовать растеканию припоя; продукты сгора­ ния не должны быть токсичны. Чаще всего для материала связующего выбирается смесь орга­ нических высокомолекулярных углеводородов. При изготовлении паст с добавками флюса обычно содержание металла варьируется около 65 % по массе, при изготовлении паст для бесфлюсовой пайки в печной атмосфере содержа­

400с.

2.Лашко С. В., Лашко Н. Ф., Нагапетян И. Г. и др. Проектирование технологии пайки металлических изделий: Справочник. М.: Металлургия, 1983. 280 с.

3.Смирягин А. П., Смирягина Н. А., Белова А. В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1974. 488 с.

4.Нормирование расхода материаль­ ных ресурсов в машиностроении: Справочник. М.: Машиностроение, 1988. Т. 2. С. 232-246.

5.Припои и флюсы для пайки. Марки, состав, свойства и область применения. ОСТ

4Г0.033.200.

6.Иванов И. Н., Кузнецова Г. П. Со­ временное состояние материалов и технологии пайки инструмента / В сб.: Сварка и родствен­ ные технологии в современном мире. Мат-лы науч.-техн. конф. СПб., 2002. Т. 2. С. 8-10.

7.Rasmussen. Mechanism of Spreading and oxide displement by BcuP-2 brazing filler metal. Welding joural, 1975. B. 154. № 10.

8.Гржимальский Л. Л. Самофлюсующие припои Л.: Знание, 1972. 82 с.

9.Куфайкин А. Я. и др. Пайка меди со сталью медно-фосфористым припоем с приме­ нением медного барьерного покрытия // Авто­ матическая сварка. 1987. № 6 . С. 57-58.

10.Краткий справочник паяльшика / Под ред. И. Е. Петрунина. М.: Машинострое­ ние, 1991. С. 53-54.

11.Контроль испарений и газов в цехе // Weld. Des. and Fabrication. 1978. V 61. № 3. P. 60-65.

12.Cadmiumfreis Lot. Techn. Rept. 1983. V 10. № 4.

13.Ерошев В. К., Козлов Ю. А., Пав­ лова В. Д. Конструирование и технология из­ готовления паяных металлокерамических уз­ лов. М.: ЦНИИ «Электроника», 1988. Ч. 1. 186 с.

14.Ковалевский Р. Е., Чекмарев А. Л.

Конструирование и технология вакуумно-плот­ ных паяных соединений. М.: Энергия, 1968. 208 с.

15.Ильина И. И., Асиновская Г. А., Карпухина А. Ф. Свойства соединений из меди и ее сплавов, паянных припоем ПМФОЦр 6-4-0,03 //Сварочное производство. 1983. № 1.

16.Пашков И. Н., Ильина И. И., Мар­ кова И. Ю. Анализ состояния вопроса эконо­ мии драгоценных металлов в производстве паяных конструкций (способами-высокотемпе­ ратурной пайки) / В сб.: Сварка и родственные технологии в современном мире / Международн. науч.-техн. конф. СПб., 2002. С. 1-7.

17.Пашков И. Н., Ильина И. И., Шокин С. В. Опыт, тенденции производства и ис­ пользования присадочных материалов для вы­

сокотемпературной пайки изделий, в России / В сб.: Пайка. Современные технологии, мате­ риалы, конструкции. М.: ЦРДЗ. 2001. Сб. № 2.

С.37-40.

18.Туторская Н. Н., Ерофеева Л. А., Юшкина Е. И. и др. // Сварочное производст­ во. 1982. № 5. С. 14-15.

19.Туторская Н. Н., Королева С. П., Юшкина Е. Н. и др. // Сварочное производст­ во. 1975. № 2. С. 39-41.

20.Туторская Н. Н., Ерофеева Л. А., Королева С. П. и др. // Сварочное производст­ во. 1983. № 11. С. 36-37.

21.Понимаш И. Д., Орлов А. В., Рыб­ кин Б. В. Вакуумная пайка реакторных мате­ риалов. М.: Энергоатомиздат. 1995. 191с.

22.Петрунин И. Е., Мороз П. К., Стре­ калов Г. Н., Шеин Ю. Ф. Пайка при произ­ водстве крупногабаритных строительных ме­ таллоконструкций. М.: Стройиздат, 1980. 148 с.

23.Лашко С. В., Лашко Н. Ф. Пайка металлов. М.: Машиностроение, 1988. 376 с.

24.Чекунов И. П. Высокотемпературная пайка трубопроводов из коррозионно-стойкой стали. М.: Машиностроение, 1988. 80 с.

ПРИРОДА ФЛЮСОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Флюс согласно ГОСТ 17325-79 - химиче­ ское вещество, применяемое для удаления окисной пленки с поверхности паяемого мате­ риала и припоя в процессе пайки.

\Для обеспечения высокого качества пая­ ного соединения флюсы должны отвечать следующим требованиям:

-вступать во взаимодействие с окисной пленкой основного металла прежде плавления припоя. Температура активного действия флю­ са должна несколько превышать температуру его плавления и быть ниже температуры плав­ ления припоя;

-смачивать место пайки для снижения поверхностного натяжения расплава припоя и улучшения его растекаемости по паяемой по­ верхности;

-не менять своего химического состава при нагревании вследствие испарения отдель­ ных компонентов, т.е. не снижать активность в предусмотренном интервале температур;

-остатки флюса не должны вызывать коррозии паяного соединения, а после пайки должны легко удаляться;

-быть устойчивыми в условиях транс­

портировки и хранения.J

Паяльный флюс должен обеспечивать взаимодействие с окисной пленкой на поверх­ ности основного металла и расплава припоя, что достигается подбором флюсующих ве­ ществ, активных к окислам окисной пленки как основного металла, так и припоя [1]. Кинетика взаимодействия компонентов флюса в процес­ се пайки включает:

-химическое взаимодействие компонен­ тов флюса с окисной пленкой с образованием соединений, растворимых во флюсе;

-химическое взаимодействие компонен­ тов флюса с металлом, в результате чего про­ исходит разрушение окисной пленки и переход

еев шлак;

-растворение окисной пленки основного

металла и припоя во флюсе. ;

AjcTHBHbie компоненты флюса выбирают в зависимости от характера окислов окисной плен­ ки на поверхности металла. Для кислого окисла флюс должен иметь основной характер, для ос­ новного окисла флюс должен быть кислым. В общем случае взаимодействие флюса с окис­ ной пленкой может происходить по реакций

МеяД, + Ф = МетО„ Ф,

где МетО„ ■Ф - продукт реакции. Возможность протекания этой реакции зависит от изменения ее изобарно-изотермического потенциала, оп­ ределяемого уравнением

венно изобарно-изотермические потенциалы продуктов реакции, окисла и флюса.

Если AZT< 0, то реакция возможна, т.е.

вещество Ф обладает флюсующими свойствами; при AZT> 0 реакции не будет. Изобарно-изотер­

мические потенциалы веществ, участвующих в реакции, определяются по уравнению

&Zr = A + BT\gT + CT,

где Т - температура процесса; А, В и С - коэф­ фициенты.

Химическая активность компонентов флюса усиливается введением в него фторидов щелочных и щелочноземельных металлов, рас­ творяющих окисную пленку. Для удаления окисной пленки используются также вещества, взаимодействующие более активно с основным металлом, чем с его окислом. Химически взаи­ модействуют с основным металлом реактивные флюсы, обеспечивающие пайку или лужение без применения припоя [2]. При этом флюс, например хлорид тяжелого металла, вступая в реакцию замещения, выделяет металл, выпол­ няющий роль припоя.

ГПри пайке сплавов с трудноудаляемыми окислами в состав флюса вводят лигатуры ме­ таллов, которые вступают в реакцию с окисла­ ми труднопаяемого материала, образуя соеди­ нения, растворимые во флюсе или взаимодей­ ствующие с ним. Согласно ГОСТ 19250-73 флюсы классифицируют следующим образом:

-по температурному интервалу активно­ сти - высокотемпературные (выше 450 °С) и низкотемпературные (ниже 450 °С);

-по природе растворителя - водные и не­ водные;

-по механизму действия - защитные и химического действия;

-по природе активаторов высокотемпе­ ратурные флюсы подразделяются на галоге-

нидиые, боридные, фторборатные, боридногалогенидные и боридно-углекислые; низко­ температурные флюсы подразделяются на ка­ нифольные, кислотные, галогенидные, гидразиновые, фторборатные, анилиновые, стеари­ новые и др.;

- по агрегатному состоянию - твердые, жидкие и пастообразные^

ФЛЮСЫ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ

Флюсы для пайки черных и цветных металлов

Активным компонентом боридных флю­ сов является борный ангидрид (В20 3), который образуется при разложении обезвоженной бу­ ры (Na2B40 7 = 740 °С) и борной кислоты (Н3В 03). Борный ангидрид, соединяясь с ос­ новными окислами металлов, образует легко­ плавкий шлак, защищающий поверхность пая­ емого металла от окисления. Так, при пайке меди с применением флюса на основе борной кислоты образуются легкоплавкие бораты по следующей реакции:

СиО + 2Н3В 0 3 = СиО • В2 0 3 + ЗН20 .

При использовании в качестве флюса бу­ ры происходит реакция

CuO + Na2 B4 0 7 = СиО • В20 3 + Na2B20 4

Образовавшаяся смесь легкоплавких солей (С и 0 В 20 3 и Na2 B20 4 ) плавится при темпе­

ратуре более низкой, чем каждая из них в от­ дельности. Аналогично происходит пайка и дру­ гих металлов, имеющих основные окислы. Из­ вестны бораты: Z n 0 B 20 3; CuO ■ZnO- В20 3;

2Fe20 3 -ЗВ20 3 и др. Боратные флюсы исполь­

зуются главным образом при пайке железа и низкоуглеродистых сталей медью, медно­ цинковыми и серебряными припоями, а также меди, бронз, томпака, латуней с высокой тем­ пературой плавления медно-цинковыми и се­ ребряными припоями. При пайке металлов, имеющих кислые окислы (например, кремне­ зема Si02 при пайке чугуна), во флюсы вводят окислы или соли натрия (например, Na2C 03). В этом случае протекает реакция

Si02 + 2NajC03 = (Na20 ) 2 • S i0 2 + 2C 02 .

При пайке легированных сталей и жаро­ прочных сплавов, содержащих хром, титан, молибден, вольфрам, флюсующего действия буры и борной кислоты недостаточно. Поэтому в таких случаях в состав боридных флюсов вводят фториды щелочных и щелочно-земель­ ных металлов - фтористый калий (KF), фтори­ стый натрий (NaF), фтористый литий (LiF), фтористый кальций (CaF2), которые хорошо растворяют окисную пленку при пайке. Первые три фторида применяют при температуре пай­ ки ниже 850 °С; фтористый кальций, имеющий температуру плавления 1375 °С, - выше 850 °С.

При пайке коррозионно-стойких и жаро­ прочных сталей, меди, серебра, золота, их сплавов при относительно низких темпера­ турах с успехом применяют фторидно-борид- ные соединения - фторборат калия (KBF4) с

= 540 °С и в ряде случаев фторборат натрия (NaBF4) с = 370 °С. Их эвтектическая смесь плавится при температуре 360 °С. С бурой фторборат калия образует эвтектику (31 % Na2B40 7) с Т™ = 320 °С. Фторборат калия раз­ лагается при пайке по реакции

Выделяющийся при этом фтористый ка­ лий растворяет окислы на поверхности метал­ ла, а трехфтористый бор вступает с ними в химическое взаимодействие. Например, при пайке коррозионно-стойкой стали окись хрома взаимодействует с трехфтористым бором по реакции

Сг20 3 + 2BF3 = 2CrF3 + В20 3

Борный ангидрид при этом может всту­ пать в реакции с окислами, образуя бораты. Применение фторборатов позволило создать высокоактивные флюсы со сравнительно низ­ кой температурой активного действия (550 800 °С).

Флюсы, содержащие соединения бора и фториды, заметно повышают свою активность, если в их состав ввести металлы, вступающие в реакцию замещения с окислами труднопаяемых металлов. Например, при пайке высоко­ хромистых сплавов во флюс вводят лигатуру, состоящую из алюминия, меди и магния. При этом протекают реакции

Сг20 3 + 2AI = А12 0 3 + 2Сг ,

Сг20 3 + 3Mg = 4MgO + 2Сг.