Особенности пайки различных металлов

Пайка углеродистых и низколегированных сталей не вызывает особых трудностей и может осуществляться всеми известными способами, в том числе в печи, погружением в расплавленные соли, нагревом токами высокой частоты, газопламенными горелками и паяльником.

Для высокотемпературной пайки низколегированных и малоуглеродистых сталей применяют медь, латуни, медно-цинковые припои. Серебряные припои из-за высокой стоимости серебра используют относительно редко и только в строго обоснованных случаях.

Швы, паянные медью, характеризуются высокой плотностью, герметичностью и прочностью, однако вследствие высокой температуры плавления меди пайка становится весьма энергозатратной.

Кроме того, для экономии меди целесообразнее применять медно-цинковые припои, содержащие от 36 до 63 % Си2, например ПМЦ-36, Л63. Основным недостатком указанных припоев является сильное испарение цинка при температуре пайки, что вызывает пористость в паяных швах. В связи с этим применение медно-цинковых припоев для печной пайки не рекомендуется во избежание загрязнения рабочего пространства печи осаждающимся на стенках цинком. Уменьшить испарение цинка можно введением в медно-цинковые припои кремния (ЛОК-59, ЛКБ062), который связывает цинк, образуя с ним химические соединения. Как правило, эти припои содержат и олово, повышающее их жидкотекучесть при пайке. Уменьшить испарение цинка при газопламенной пайке можно также, если вести нагрев слегка окислительным пламенем — оксиды, образующиеся на поверхности припоя, будут препятствовать испарению цинка. Используемые при пайке сталей флюсы № 200, 201, 209, содержат в своем составе буру, борный ангидрид, фтористые соли.

При низкотемпературной пайке углеродистых и низколегированных сталей применяют оловянно-свинцовые припои. Пайка ведется паяльником. В качестве флюса применяют раствор хлористого цинка или активированный спиртовой раствор канифоли; Все применяемые для пайки стали флюсы активны, их остатки в процессе эксплуатации могут вызвать коррозию изделия. Поэтому после пайки их необходимо немедленно и тщательно удалить.

При пайке оловянно-свинцовыми припоями деталей из сталей мартенситного класса (типа 30ХСНА) могут возникать трещины, если в деталях присутствуют растягивающие напряжения после штамповки, от термообработки или неправильной сборки. Увеличение содержания олова в припое повышает вероятность трещинообразования. Для предотвращения трещинообразования перед пайкой детали следует подвергать отпуску, а содержание олова в припое ограничивать 40%.

Пайка высоколегированных сталей осложняется наличием на их поверхности термически и химически стойких оксидов хрома, титана и других легирующих элементов. Указанные оксиды ухудшают смачиваемость паяемых поверхностей припоями, поэтому для пайки высоколегированных коррозионностойких сталей газопламенными горелками используют активные флюсы. Например, с серебряным припоем ПСр40 (температура плавления 590-610 °С) целесообразно использовать флюсы 284 и 209, а при пайке припоями на медной или никелевой основе качественные паяные соединения получаются с более тугоплавкими флюсами 200, 201.

Оксидная пленка на коррозионностойкой стали, содержащая Cr₂O₃, восстанавливается в водороде (хорошо осушенном) при температуре около 1200 °С. В этом случае для пайки стали медью применяются флюсы или для улучшения смачиваемости деталей их предварительно покрывают гальваническим путем медью или никелем (толщина покрытия 15–18 мкм). Кроме того, в качестве восстановительной среды используют трехфтористый бор в смеси с аргоном.

Медно-цинковыми припоями высоколегированные стали паяют редко из-за повышенной склонности припоев к трещинообразованию. Чаще применяют серебряные припои, например, ПСр72ЛМН; здесь для придания стойкости к щелевой коррозии добавлен никель, а для улучшения смачивания – литий. С оксидом хрома, имеющим температуру плавления около 1990 °С, литий образует соединение Li₂O · Cr₂O₃ с температурой плавления около 500 °С, легко переходящее в шлак.

При пайке коррозионностойких сталей, не стабилизированных карбидообразующими элементами (Ti, Nb), следует учитывать, что после нагрева в интервале температур 500-750 °С у этих сталей резко снижается стойкость к межкристаллитной коррозии из-за большей скорости диффузии углерода в межкристаллитные прослойки, чем хрома. При этом содержание свободного хрома в них уменьшается вследствие связывания его в карбиды. Поэтому при пайке газопламенной горелкой характер пламени должен быть нормальным, иначе избыток ацетилена в пламени тоже может активизировать образование карбидов хрома.

Для получения жаропрочных и кислотостойких паяных соединений коррозионностойкие стали паяют высокотемпературными припоями типа ВПр1, ВПр2, ВПр4 на основе меди с добавками никеля и марганца. Эти припои благодаря введению небольших количеств бора и лития обладают самофлюсующимися свойствами, хорошо затекают в зазоры при пайке в среде проточного аргона, при это образуются плотные и прочные швы. В вакууме пайка этими припоями затруднена из-за интенсивного испарения марганца.

При пайке коррозионностойких сталей возможно проявление эффекта адсорбционного понижения прочности, когда под действием адсорбционно-активной жидкой среды (медных и некоторых серебряных припоев) создаются условия для зарождения трещин и дальнейшего хрупкого разрушения металла. Для предотвращения растрескивания необходимо исключить наличие растягивающих напряжений в металле, а пайку целесообразно вести припоем ПСр40, который практически не вызывает трещинообразования. Низкотемпературная пайка коррозионностойких сталей осуществляется оловянно-свинцовыми припоями с флюсом типа ЛМ1, представляющим собой раствор канифоли в спирте с добавкой ортофосфорной кислоты.

Жаропрочные стали на своей поверхности содержат трудноудаляемые оксидные пленки хрома, титана и др. Поэтому при их пайке применяют высокоактивные флюсы и водородную атмосферу с добавками фтористых соединений. Для лучшего удаления оксидов хрома во флюсы вводят бориды и фториды. Пайку жаропрочных сталей, как и коррозионностойких, можно проводить в защитной атмосфере аргона с использованием одновременно и флюсов.

Пайку алюминиевых и магниевых сплавов осложняют тугоплавкие оксидные пленки на их поверхности, обладающие высокой химической устойчивостью и не удаляющиеся при пайке в высоком вакууме и в восстановительных газовых средах.

Для очистки поверхности деталей из алюминия и его сплавов от оксидов применяют механическую зачистку и травление в 10–15%-ном растворе NaOH при температуре 60 °С. Для предупреждения последующей коррозии детали промывают в холодной воде, тщательно смывая остатки едкого натра, а затем обрабатывают в 20%-ном растворе HNO₃. Промытые в горячей и холодной воде детали просушивают.

В зависимости от эксплуатационных требований к прочности паяных алюминиевых узлов может применяться высоко или низкотемпературная пайка.

Для низкотемпературной пайки могут быть использованы припои на оловянно-цинковой основе, например П200А, П150А, а также П200Г (с улучшенными коррозионными свойствами благодаря добавкам германия). Число в марке припоя обозначает температуру его плавления. Применение оловянно-цинковых припоев не обеспечивает коррозионной стойкости паяного соединения.

Нанесенные на алюминиевые детали химическим или гальваническим методом медное, никелевое, кадмиевое или другие покрытия позволяют применять оловянно-свинцовые припои ПОС40, П0С61 и др.

Высокотемпературная пайка алюминия осуществляется всеми известными способами нагрева, в том числе: газопламенным, индукционным, в печах, погружением в расплавленные соли и пр. При этом используются припой 34А (Сu 27,9 %; Si 6 %; Аl – остальное), силумин эвтектический (Аl 89 %; Si 11 %) и флюсы 34А и 16ВК, содержащие хлористые и фтористые соли металлов (КСl, LiCl, NaF, ZnCl₂).

Изделия, паянные силумином, вследствие повышенной стойкости к коррозии могут работать в жестких климатических условиях (тропической влаги, морского тумана). Однако из-за близости температуры плавления силумина (582 °С) к температуре плавления основного металла резко возрастает вероятность прожогов и оплавлений основного металла. Поэтому при затруднении контроля температуры в процессе пайки (особенно ручной) применяют припой 34А с температурой плавления 520 °С, при этом используется одноименный флюс 34А.

При газопламенной пайке алюминия применение ацетилена в качестве горючего газа недопустимо, так как он, взаимодействуя с компонентами флюса 34А, снижает его активность. Целесообразно применять воздушно-пропановые, пропан-бутановые, а также бензовоздушные смеси.

Характерной для алюминиевых сплавов является реактивно-флюсовая пайка с использованием в качестве флюса хлористого цинка, хлористого олова или кадмия. Металлы из перечисленных солей выделяются в процессе реакции и выполняют функцию припоев.

Использование контактно-реактивной пайки в вакууме и в газовых средах позволяет соединять алюминий через прослойку кремния, меди, серебра. Флюсы в таких случаях не применяются.

Перспективным методом бесфлюсовой высокотемпературной пайки алюминия является пайка в разреженной атмосфере паров магния. Атмосфера паров магния (вследствие большой химической активности магния по отношению к кислороду) не только восстанавливает оксидную пленку Al₂O₃ но и, служит средой, которая защищает поверхность основного металла от окисления в процессе пайки. В качестве припоя используют обычно прутки из АЛ2, силумина и другие полуфабрикаты. Пайка ведется при температуре 560–600 °С в зависимости от паяемого сплава с выдержкой в течение 5–20 мин. Паяные швы характеризуются значительной коррозионной стойкостью.

Пайка магниевых сплавов. Оксидная пленка с магниевых сплавов удаляется травлением в водном растворе хромового ангидрида (20–30 г/л) при температуре 60–70 °С. Повышая концентрацию раствора, можно снизить температуру травления до 30 °С. После травления детали промывают в горячей, а затем в холодной воде. Временной интервал между травлением и пайкой не должен превышать 24 ч, иначе толщина вновь образующейся оксидной пленки будет недопустимой. Это может отрицательно повлиять на качество паяного соединения.

Детали из магниевых сплавов паяют паяльником, горелками, индукционным нагревом, в расплавленных флюсах, в печах с контролируемой атмосферой (азот, аргон с азотом, вакуум).

Низкотемпературная пайка магния осуществляется по предварительно нанесенному покрытию (гальваническому, химическому) из меди, никеля или серебра. Припой в этом случае подбирается применительно к металлу покрытия, например оловянно-свинцовый.

Высокотемпературная пайка контактно-реактивным способом изделий из магниевых сплавов осуществляется в печах с контролируемой атмосферой азота, аргона или в вакууме. Для этого поверхность под пайку покрывают слоем металла (меди, никеля), который образует с магнием легкоплавкую эвтектику при температуре 450–600 °С. При выборе режимов пайки следует учитывать, что при 300–400 °С происходит разложение гидроксида магния, сопровождающееся порообразованием.

Пайка меди и ее сплавов – латуней, бронз и медно-никелевых сплавов может быть осуществлена почти всеми видами пайки при использовании обширной номенклатуры припоев и флюсов. Медь паяется серебряными, медно-никелевыми, медно-фосфористыми и оловянно-свинцовыми припоями.

Для низкотемпературной пайки применяют оловянно-свинцовые припои типа ПОС и канифольные флюсы. Пайку ведут паяльниками при температурах до 300 °С, при более высоких температурах канифоль обугливается и теряет флюсующие свойства.

Высокотемпературная пайка меди выполняется серебряными, медно-фосфористыми и медно-цинковыми припоями, причем для пайки медно-фосфористыми и медно-цинковыми припоями применяются флюсы на основе фтористых солей легких металлов (284, 209), а для пайки медно-цинковыми припоями – более тугоплавкие флюсы на основе буры и борного ангидрида (200 и 201). Пайку, как правило, выполняют с помощью индукционного либо газопламенного нагрева. В печах с восстановительной водородной атмосферой паять можно только медь с пониженным содержанием кислорода или медь вакуумной плавки, так как обычная техническая медь подвержена так называемой водородной болезни – растрескиванию по границам зерен.

Медно-цинковые припои дают хрупкие и пористые швы и не могут быть использованы для деталей, эксплуатируемых при вибрационных и ударных нагрузках, поэтому чаще применяют медно-фосфористые припои.

При пайке латуней необходимо учитывать следующие особенности.

При высокотемпературной пайке латуни не рекомендуется производить нагрев в вакууме и в восстановительной атмосфере из-за возможного испарения цинка. Пайку в этих средах можно выполнять только при условии нанесения на латунные детали покрытий из никеля или меди толщиной 18–30 мкм. При этом можно использовать, например, припой типа ПСр72 (Ag 72%, Сu 28%) эвтектического состава.

Соединения из латуни, паянные медно-фосфористыми припоями, вследствие образования хрупких фосфидов цинка не выдерживают вибрационных и ударных нагрузок. Чаще для ответственных конструкций применяют серебряные припои, обеспечивающие высокопрочные, пластичные и коррозионно-стойкие швы.

Низкотемпературная пайка латуни выполняется паяльником и теми же припоями, что и медь, однако вместо канифоли используют флюсы типа ЛТИ-12, ТС-1 с активирующими добавками для удаления оксидов с поверхности латуни.

Для швов, выполненных низкотемпературной пайкой с применением оловянно-свинцовых припоев, существует опасность разрушения, обусловленная следующими причинами. Если латунные детали, подвергавшиеся перед пайкой штамповке или гибке, паять или лудить оловянно-свинцовым припоем, олово проникает на границы зерен и образует легкоплавкую эвтектику. При повторном нагреве таких деталей происходит разрушение в месте расплавления эвтектики. Для предотвращения этого явления детали перед пайкой должны быть термообработаны.

Особенности пайки бериллиевой и алюминиевой бронз связаны с наличием на их поверхности труднорастворимых стойких оксидов. Эти сплавы перед пайкой требуют обработки по специальному режиму. Так, бериллиевую бронзу сначала обрабатывают в 50%-ном растворе серной кислоты при 65–75 °С, а затем травят смесью серной и азотной кислот, после чего тщательно промывают водой и просушивают. При высокотемпературной пайке алюминиевых бронз в обычные флюсы на основе фтористых солей необходимо добавить хлориды легких металлов.

Для пайки меди и ее сплавов перспективной является контактно-реактивная пайка, а в качестве припоя на паяемые поверхности гальваническим методом наносят серебро (10–50 мкм), если паяют медь, или серебро плюс медь, если паяют латунь. В контакте с медью при нагреве серебро образует эвтектический сплав.

Пайка титановых сплавов сопряжена с рядом трудностей, обусловленных, прежде всего, их высокой химической активностью с газами (кислород, водород, азот) при повышенных температурах. Указанное свойство требует обеспечения при пайке хорошей защиты от взаимодействия с воздухом и качественной подготовки поверхности под пайку. По тем же причинам непригодны при пайке газовые среды, содержащие водород и азот. Пайка возможна лишь в высоком вакууме или в среде чистого аргона..

Процесс пайки осложняется также высокой химической стойкостью оксида, покрывающего поверхность металла. Для его удаления применяется химическое травление в водном растворе азотной, соляной и плавиковой кислот. Часто предварительно используется механическое удаление оксидных пленок и газонасыщенных поверхностных слоев зачисткой стальными щетками.

Выбор припоя и режимов пайки определяется способностью титана образовывать хрупкие интерметаллидные соединения почти со всеми металлами, входящими в состав припоев. С серебром титан образует интерметаллид менее хрупкий, чем с остальными металлами, поэтому чаще всего для пайки титана используют припои на основе серебра. Чем меньше длительность нагрева и выдержки при пайке, тем тоньше интерметаллидная прослойка и, следовательно, выше механические свойства соединения. С этой позиции предпочтительными являются скоростные виды нагрева при пайке – индукционный, электросопротивлением.

Детально разработаны технологические процессы пайки технического титана ВТ1-0 и титановых сплавов 0Т4, ВТ5-1, ВТЗ-1, ВТ14. Широкое распространение получила высокотемпературная печная пайка в среде аргона высшего сорта с использованием герметичных контейнеров из нержавеющих сталей. Контейнер предварительно вакуумируют либо продувают аргоном. На протяжении всего процесса пайки, а также после него, до полного охлаждения деталей, в контейнер непрерывно подают аргон, что позволяет практически полностью исключить контакт титана с воздушной атмосферой. Длительность пайки колеблется в интервале 1–10 мин. Применяются, в основном, серебряные припои и, в частности, специально разработанный для титана припой с добавками.марганца и никеля. При этом достигается прочность шва 250–300 МПа.

Длительный высокотемпературный диффузионный отжиг (порядка 1000°С, 16 ч) способен существенно повысить прочность и пластичность титановых паяных соединений. Так, в соединениях сплавов ВТ14 и ВТ5-1, паянных контактно-реактивной пайкой железом, после диффузионного отжига практически достигается уровень механических свойств основного металла.

Одним из способов оптимизации технологического процесса пайки является разработка новых составов аморфизирующихся сплавов с более низкой температурой плавления, что в сочетании с высокой диффузионной подвижностью атомов при плавлении аморфного сплава позволит уменьшить длительность термического цикла пайки. Аморфные припои типа СТЕМЕТ 1201 и СТЕМЕТ 1406, применяются, например, при изготовлении титановых корпусов для- радиоэлектронной аппаратуры. В состав припоя СТЕМЕТ 1406 (температура плавления 770–833 °С) входят: Zr (основа) Ti 11%, Ni14%, Сu 13%.

Перед низкотемпературной пайкой титана оловянно-свинцовыми припоями обычно выполняют гальванические покрытия деталей никелем, серебром, медью или оловом. Такая пайка осуществляется с флюсами – спиртоканифолевыми. бескислотными или активизированными (ЛТИ-120).

Пайка тугоплавких металлов (температуры плавления некоторых из них: V - 1919 °С, Та - 2996 °С, Мо - 2622 °С, W - 3410 °С) относятся к разряду труднопаяемых высокотемпературными припоями.

К трудностям пайки относятся:

1) повышенная химическая активность

2) образование хрупких интерметаллидных соединений,

3) склонность к собирательной рекристаллизации при высоких температурах, особенно у молибдена и вольфрама.

Крупнозернистая структура металла снижает его прочность и пластичность. Бороться с этим явлением можно:

– повышая скорость нагрева при пайке и сокращая время пребывания при высоких температурах;

– применяя диффузионную пайку, которую можно осуществлять при температурах ниже температуры рекристаллизации (для вольфрама ниже 1450 °С; для молибдена ниже 1100 °С), а температура распая в итоге будет выше температуры пайки.

Тугоплавкие металлы паяют обычно различными способами высокотемпературной пайки.

Пайка вольфрама, самого тугоплавкого и жаропрочного металла, может осуществляться практически всеми известными способами во всех защитных и восстановительных средах, но чаще всего применяется вакуум, обеспечивающий более плотные швы. Хорошие результаты дает также пайка в водороде при индукционном нагреве. В качестве припоев для пайки вольфрама используют такие металлы, как тантал, ниобий, никель (с образованием хрупких интерметаллидов), медь, а также сплавы никель – титан, никель – медь и др. Применяют также серебряные припои типа ПСр при нагреве в водородной среде.

Особенностью пайки молибдена является его интенсивное окисление при температурах выше 700 °С с образованием летучего оксида МoО₃. Для предотвращения испарения молибдена его предварительно гальваническим методом покрывают медью, никелем или хромом. Молибден паяют такими металлами, как медь, никель, палладий, серебро, а также серебряными припоями, слегка окислительным кислородно-ацетиленовым пламенем с обязательным применением флюсов.

Пайку циркония лучше всего выполнять по предварительно нанесенному покрытию, однако возможна пайка в среде аргона или гелия повышенной чистоты. Пайка в водороде или на воздухе недопустима из-за высокой химической активности циркония по отношению к кислороду, азоту и водороду.

Низкотемпературная пайка тугоплавких металлов применяется редко. При этом обычно используют оловянно-свинцовые припои с канифольсодержащими активированными флюсами по предварительно нанесенному никелевому покрытию

Пайка разнородных материаловПри выборе припоев, способов нагрева, типов соединения разнородных материалов необходимо учитывать:

– степень различия физических свойств материалов, в том числе коэффициентов линейного расширения, теплопроводно­сти и температур плавления;

– особенности химических свойств – наличие оксидов, их химическую стойкость и активность при повышенных темпе­ратурах по отношению к газам, прежде всего, к кислороду, азо­ту, водороду;

– смачиваемость различными припоями;

– возможность и условия образования интерметаллидных со­единений.

При пайке конструкций из разнородных материалов неиз­бежно происходит изменение паяльного зазора из-за разно­сти коэффициентов линейного расширения. При большем ко­эффициенте линейного расширения у внешней детали соеди­нительный зазор при нагреве может увеличиться настолько, что припой вытечет или не поднимется по капилляру. Если же деталь с большим коэффициентом линейного расширения рас­полагается внутри, то зазор при пайке может уменьшиться, и слой припоя окажется слишком тонким, что приведет к раз­рушению при охлаждении или возникновению внутренних на­пряжений. Поэтому, например, телескопическое соединение двух трубок из меди и алюминиевого сплава имеет большую прочность, если деталь, расположенная внутри, будет из меди (у нее коэффициент линейного расширения меньше, чем у алюминия). Вообще для снижения вероятности разрушения паяных соединений из материалов с разными коэффициента­ми линейного расширения следует применять максимально пла­стичный припой, компенсирующий эту разницу в свойствах, например, на основе индия или чистый индий.

Если припой плохо смачивает один из паяемых материалов либо образует с ним хрупкие соединения, на него следует на­носить подходящее покрытие гальваническим, химическим и другими методами. Например, на алюминиевые сплавы нано­сят медь, никель, серебро; на вольфрам – никель, медь и пр.

Пайка металлов с неметаллами, например с керамикой, фер­ритом, производится по предварительно металлизированной поверхности. Металлизационные смеси состоят из порошков тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама с некоторыми до­бавками). Смесь наносится на поверхность керамики, затем спекается в водородной атмосфере, содержащей некоторое ко­личество паров воды. В результате происходит окисление ме­таллов, и их оксиды при высокой температуре взаимодейству­ют с оксидами керамики.

Для пайки керамики в настоящее время применяют также оксидные припои, включающие в себя оксиды алюминия, каль­ция и магния. Пайку осуществляют в вакууме. Достоинством таких припоев является возможность использования их без предварительной металлизации керамики и обеспечение диэ­лектрических свойств паяного шва.

Металлизированную керамику можно паять низкотемператур­ными оловянно-свинцовыми припоями. Но так как олово обладает способностью активно растворять в себе некоторые металлы, то возможно растворение покрытия в жидком припое. Для устра­нения этого явления припои насыщают медью, серебром либо другим металлом в зависимости от того, по какому покрытию ведется пайка. Например, часто применяют припои на оловянно-свинцовой основе, содержащие 2%Сu (П0С61М) и 3%Ag (ПОССрЗ). Хорошо зарекомендовал себя оловянно-свинцовый припой, содержащий 18%Cd (ПОСК50-18).

Иногда в изделиях из разнородных материалов (металл – керамика, металл – стекло) необходимо получать надежные ва­куум-плотные соединения, по конструктивным условиям не до­пускающие нагрева.

Обычными способами пайки не всегда удается выполнить та­кие требования к изделиям. Для этих целей в последнее время успешно применяют пайку при комнатной температуре пасто­образными припоями на основе галлия (температура плавления 29 °С) – поверхностно-активного металла, обладающего повы­шенной способностью смачивать материалы и обеспечивать об­разование межатомных связей. Галлиевые пастообразные при­пои – это композитные материалы, представляющие собой смеси жидкого галлия с порошками-наполнителями (медь, никель, железо, серебро и др.). Механические свойства паяного соеди­нения при пайке композитными пропоями определяются характером диффузионных процессов, происходящих между компо­нентами припоя и соединяемыми материалами. В результате про­цессов растворения и диффузии, протекающих при пайке, тем­пература распая во много раз превышает температуру пайки и достигает 300 °С. Если же после пайки при комнатной темпе­ратуре изделия нагреть до 200–600 °С в течение 5–30 мин, то температура распая может повыситься до 900–1000 °С.

.

Дата добавления: 2014-11-06