Технология пайки металлических материалов. Пайка меди и сплавов. Пайка алюминия и сплавов

Лекция 12

Пайка меди и сплавов. Медь – химический элемент 1-й группы периодической системы Менделеева, порядковый номер 29, атомный вес 63,54. Встречается в самородном состоянии примерно 0,01 вес % в земной коре, преимущественно 80% в соединениях с серой, примерно 15% - в виде кислородных соединений (окислов, силикатов, карбонатов).

Медь – металл красного, в изломе розового цвета, в тонких слоях – зеленовато-голубой, имеет гранецентрованную кубическую решётку. Плотность – 8,96 г/см³, Т_пл=1083⁰С, Т_кип=2600⁰С. Медь обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью (2 место после серебра как проводник тока).

В соединениях медь одно- и двухвалентна. При нормальной температуре медь мало химически активна, во влажном воздухе покрывается тонкой и плотной плёнкой основных сернокислых и углекислых солей.

2Cu + O₂ + H₂O + CO = (CuOH)₂CO₃

8Cu + 5O₂ + H₂O + SO₂ = 2(CuSO₄´3CuOH)₂

От чистоты меди зависят её свойства и поведение при обработке. Ничтожные количества многих элементов, попадающих в медь в качестве примесей или добавок, снижают электропроводность, теплопроводность, затрудняют обработку.

Медь техническая применяется для изготовления различных полуфабрикатов и в качестве шихтового материала для выплавки медных сплавов.

Марки МО -99,95%Сu, примеси Bi, Sb, As, Fe,Ni, Pb Sn, S, O, не более 0,05%, используется для изготовления проводников тока, изготовления сплавов высокой чистоты.

Марки М1 -99,90%Cu, примеси до 0,01%; используется для изготовления высококачественных бронз.

М2 -99,70%Cu, используется для изготовления бронз, обрабатываемых давлением.

М3 -99,5%Cu - для проката обычного качества и литейных бронз.

М4 -99,0%Cu - для литейных бронз и изготовленных сплавов.

М3С -99,5%Cu - трубы для морского судостроения.

Примеси P, Sb, Bi, As, Si сильно ухудшают электропроводность меди; примеси Bi, Sb, Pb снижают технологические свойства меди, вызывая хрупкость при горячей обработке давлением.

Проводники тока изготавливаются из меди М0 и М1; электрические контакты в изделиях неответственного назначения – М2 и М3. Изготовляют коррозионностойкие масло- и топливопроводы, уплотнительные кольца, шайбы, прокладки.

Медь чистая марки М0 (М00, М000), особо чистая безкислородная и вакуумная, используется в электровакуумной промышленности.

Медь красная – сплавы меди, содержащие олово, цинк, свинец характерного красного цвета и литейные оловянистые бронзы (красное литьё), содержащие ³ 78% меди, 4-10%Sn, до 10%Zn, до 5%Pb. Разделяется на бронзу химическую (художественную) и механико-технологическую (орудийную), акустическую (колокольную), оптическую (зеркальную). Применяется в электротехнике и художественном литье.

К особенностям свойств меди и сплавов, которые влияют на выбор способа пайки, относятся степень химической стойкости окислов и трудность их удаления; содержание легкоиспаряющихся элементов – Zn, Cd, Mn; склонность кислородосодержащей меди к водородной хрупкости: (медь, содержащую кислород, нельзя нагревать в восстановительной атмосфере, т.к. в результате проникания водорода в металл произойдёт реакция образования водяного пара, вызывающая появление в металле трещин – «водородная болезнь»); способность меди образовывать хрупкие интерметаллидные соединения со многими компонентами припоя; повышенная способность меди и сплавов к хрупкому разрушению в контакте с жидким припоем.

По степени трудности получения паяного соединения медные сплавы разделяются на 2 группы:

Первая группа – медь и сплавы, образующие нестойкие окислы, легко удаляемые при флюсовой пайке (медь и сплавы, содержащие Zn, Sn, P, Pb, Sb, Fe, Ni, Mn).

Сплавы первой группы (сплавы системы Cu-Zn-Sn, содержащие добавки Pb, As, Fe, Ni, Mn) образуют оксиды CuO Cu₂O или оксиды на основе других элементов 1-й группы со сравнительно невысокой свободной энергией образования и легко диссоциирующие при низкотемпературной пайке.

Вторая группа – сплавы меди, образующие стойкие окислы – сплавы, легированные Al, Be, Cr, Si, Zr, Ti: на поверхности образуются оксиды на основе этих элементов, трудно растворимые во флюсе и не разлагающиеся другими способами.

Низкотемпературная пайка меди и сплавов 1 группы припоями характеризуется простотой и общедоступностью, но паяльником можно паять только тонкостенные детали при температуре пайки Т_п <350⁰С. Массивные детали, вследствие высокой теплопроводности меди (в 6 раз выше, чем теплопроводность стали), паяют газовыми горелками и другими способами.

Низкотемпературная пайка выполняется припоями ПОССу 30-0,5; ПОС-40; ПОССу 40-0,5; ПОС-61; свинцово-серебрянными ПСр 1,5; ПСр 2,5; ПСр3. Флюсы – на основе ZnCl₂ или канифольно-спиртовые.

При пайке меди оловянно-свинцовыми припоями с высоким содержанием Sn, по границе шва образуются прослойки химического соединения Cu₅Sn₆, что вызывает снижение прочности паяных соединений, соединения следует не перегревать в процессе пайки, потому что при перегреве растёт толщина прослойки. При пайке меди припоями системы Sn-Pb соединения охрупчиваются при низких температурах, что связано с аллотропическим превращением олова и образованием в шве хрупких интерметаллидов, которые при низких температурах являются очагами трещин.

При содержании в оловянно-свинцовом припое менее 15%Sn в паяных соединениях не наблюдается падения ударной вязкости, это связано с тем, что свинец (основа припоя) при работе соединений в условиях низкой температуры повышает ударную вязкость. При сборке под пайку соединений со сборочным зазором ³ 0,35мм в соединениях может возникнуть пористость. Соединения подвергаются искусственному старению вследствие распада твёрдого раствора олова на основе свинца. Недостатком припоев на основе свинца с содержанием < 15%Sn является их нетехнологичность и низкая способность смачивать поверхность паяемого металла. Так, припой ПСр3 (эвтектический состав: 3,5Ag-Pb – ост.), ПСр2,5 дают теплостойкие и хладостойкие соединения, но прочность соединений низкая, низкая способность к растеканию и смачиванию меди и латуни.

При пайке цинковые припоями соединения имеют низкую прочность, низкие характеристики смачивания меди и растекания по ней припоя даже при обработке активными флюсами. Цинковые припои редко применяются для пайки меди из-за интенсивного растворения её в расплаве припоя. Легирование оловом и кадмием повышает способность смачивания и растекания, однако прочность соединений не повышается. Легирование цинковых припоев Ag, Cu, Mg, Al, Ni при суммарном содержании до 10% увеличивает прочность паяных соединений.

При пайке кадмиевыми припоями (например, ПСр5КЦН; ПСр8КЦН) соединения теплостойки до 350⁰С, но не хладостойки и имеют низкую прочность из-за образования хрупких интерметаллидов. Технологичность припоев хуже, чем припоев системы Sn-Pb. Состав припоя ПСр5КЦН (вес.%); – Zn1,5-2,5, Ag4-6, Ni1,5-2,5, Cd-ост; Т_п=355⁰С.

Пайка погружением в расплавы солей: соли служат источником тепла и оказывают флюсующее действие, дополнительного флюсования не требуется. Недостаток – сложность удаления остатков флюса.

Пайка погружением в ванну с припоем: после предварительной очистки флюсом деталь нагревают в расплаве припоя; при Т_п расплав припоя заполняет соединительный зазор.

Высокотемпературная пайка припоями с применением флюсов. Для высокотемпературной пайки меди и сплавов используют флюсы на основе соединений бора и фтористого калия, которые хорошо очищают поверхность и способствуют смачиванию. Флюс ПВ-209: состав (% вес)KF-41-43; B₂O₃-34-36; KBF₄-22-24; Флюс ПВ 284 Х состав:(% вес)H₃BO₃-29-31; KOH-25-27; HF-43-45 (фтористо-водородная кислота)

Пайку осуществляют серебряными припоями: ПСр45; ПСр40; ПСр25 нагревом ацетиленокислородным пламенем или в печах с использованием флюсов.Состав припоев:

ПСр45 (% вес) – Ag44,5-45,5; Cu29,5-30,5; Zn23,5-25,0; Т_п=725⁰С;

ПСр70 (% вес) – Ag69,5-70,5; Cu25,5-26,5; Zn3,0-5,0; Т_п=755⁰С;

ПСр25 (% вес) – Аg24,7-25,3; Cu39-41; Zn33-36; Т_п=775⁰С;

ПСр10 (% вес) – Ag9,7-10,3; Cu52-54; Zn35-38,5; Т_п=850⁰С.

Припои на медной основе тугоплавки и вызывают эрозию паяных соединений из-за растворения паяемого металла, поэтому для пайки их применяют реже, чем серебряные.

Припои медно-фосфорные с добавлением серебра, например марки ПФО7 (МФОЦ7-3-2), содержит P=5-7%, Zn1-3; Sn-2,5; Sb-0,1; Cu-ост., Т_п.=700⁰С.

Припои МФ-1, МФ-2 (Р=8,5-10%), МФ-3 (Р=7-8,5%) остальное Cu, и примеси: Bi-0,002-0,005%; Sb-0,002-0,1% при пайке дают прочные швы (s=250-300МПа), теплостойкие до 800⁰С, но непластичные, в условиях низких температур пластичность падает.

Недостатком флюсовой пайки является сложность получения герметичных соединений, удаления остатков флюса, которые являются очагами коррозии.

Поэтому используют пайку меди и сплавов в восстановительной и нейтральной контролируемой газовой атмосфере, например в струе сухого азота: Т_п=750-800⁰С.

Недостаток – сложность оборудования по очистке азота и высокая температура пайки (больше 750⁰С). Выполняют пайку в среде Ar: припой ПС59-1 с дополнительным флюсованием мест пайки раствором буры (Na₂B₄O₇).

Пайка в вакууме экономична, безопасна, швы чистые, прочные с высокой коррозионной стойкостью, недостатком является сложность применяемого оборудования.

Контактно-реактивная бесфлюсовая высокотемпературная пайка меди с контактной прослойкой Ag (например пайка теплообменников, работающих при 200⁰С). Пайка выполняется по шероховатой поверхности, в среде гелия: нагрев в среде гелия происходит в 2 раза быстрее (теплопроводность гелия в 6-9 раз выше теплопроводности Ar); быстрый нагрев особенно важен для крупногабаритных тонкостенных изделий. Перед сборкой паяемые узлы погружают во флюс: спиртовый раствор ПВ209 (3-5%). Пайка выполняется с механическим прижимом в контейнере из нержавеющей стали при таких условиях: расход гелия Q_Hе = 10-16 л/мин; температура пайки Т_п = 820-830⁰С; время пайки t = 35-45мин (при пайке в Ar время пайки t = 90-120 мин, в результате происходит эрозия медных деталей).

Диффузионная пайка: для диффузионной пайки используют в качестве припоев галлий, индий, олово, свинец, припои системы олово-свинец (ПОССу-40-2, ПОС-61). Пайка выполняется при поджатии деталей, в вакууме или Ar при Т_п = 650-800⁰С и длительной выдержке. Припой на место пайки наносят напылением в вакууме, гальваническим способом или вносят в соединительный зазор в виде тонкой фольги.

Высокотемпературная пайка композиционным припоем: Композиционный припой изготавливается в виде пасты, состоящей из припоя ПМФС6-0,5 и флюса ПВ209. Используют порошок припоя дисперстностью 5-300 мкм, в смесь порошка с флюсом добавляют воду; паста обладает вяжущим и цементирующим свойством и сборка деталей при ее использовании возможна без приспособлений (вследствие образования гидрата фторида калия KF₂H₂O, обладающего вяжущими свойствами) Т_п=780⁰С, t=60с. Соединения не уступают по механическим свойствам паяным припоям ПСр45, коррозионно-стойки.

Паста пригодна для пайки меди и сплавов, молибдена, металлизированной керамики при печном нагреве или различными локальными источниками.

Пайка латуней: латунь – сплав Cu с Zn (до 50%Zn) с добавлением Al, Sn, Fe, Mn, Ni, Si, Pb – в сумме до 10%. Окисная плёнка на поверхности латуни имеет сложный состав: при содержании до 15%Zn плёнка состоит из Cu₂O с внедрёнными в неё частицами ZnO, в сплавах с большим содержанием цинка слой окислов состоит в основном из ZnO, удаление которого более сложно, чем Cu₂O.

Особенности пайки: при низкотемпературной пайке окисная плёнка на паяемой поверхности не удаляется канифольным флюсом, используют флюсы на основе ZnCl₂ с добавлением HNO₃.

Хотя латунь медленнее, чем медь, растворяется в расплавах припоев системы Sn-Pb, но соединения на латуни, паянные этими припоями, имеют низкую прочность из-за пористости в швах в результате испарения цинка.

Высокотемпературная пайка: пайка в печи в газовых средах производится только с предварительным флюсованием мест пайки используется меднофосфорный или серебряный припой. Возможна пайка без флюса – если на латунь предварительно нанесено покрытие Cu или Ni, предохраняющее поверхность латуни от испарения цинка.

Высокотемпературная пайка в соляных ваннах: температура пайки Т_п = 850-870⁰С, в ванну добавляют 4-5% флюса, содержащего KF u Na₂B₄O₇.

При большом содержании в латуни меди пайку выполняют серебряными припоями ПСр72, ПСр40, ПСр45, меднофосфорными. При большом содержании в латуни цинка (Л63, Л68) паяют только серебряными припоями. Меднофосфорные припои непригодны, поскольку образуют малопластичные соединения - фосфиды цинка.

Пайку горелками следует выполнять с высокими скоростями нагрева для сокращения контакта жидкого припоя и твёрдого металла и предотвращения растворения основного металла при пайке серебряными и меднофосфорными припоями.

Пайка бронз. Пайку оловянистых бронз (92%Cu, 8%Sn, 0,38%P); Т_с=850⁰С, Т_л=1030⁰С можно выполнять при низкотемпературном и высокотемпературном нагреве. При низкотемпературной пайке можно использовать припои системы Sn-Pb и флюсы на основе ZnCl₂ с добавлением HCl. Нагрев следует вести постепенно, т.к. высокие скорости нагрева вызывают красноломкость соединений.

При высокотемпературной пайке используют медно-цинковые и серебряные припои и флюс на основе H₃BO₃ c добавлением фтористых и хлористых солей.

Свинцовые бронзы: для пайки свинцовых бронз используют флюсы и припои – как для оловянистых бронз, но требуется более тщательная подготовка под пайку, так как оксиды свинца затрудняют течение припоя.

Алюминиевые бронзы - сплавы меди с высокими механическими свойствами, используются в машиностроении. Используют двойные сплавы системы Cu-Al (простые бронзы) и бронзы с добавками Mn, Fe, Ni. На поверхности алюминиевой (и кремниевой) бронзы образуется оксидная плёнка, которая трудно удаляется с использованием обычных флюсов. Перед пайкой изделие необходимо обработать в фтористо-водородной или плавиковой кислоте. Используют активные флюсы с повышенным содержанием соляной кислоты; рекомендуется предварительная очистка и флюсование поверхности алюминиевых бронз смесью H₃BO₃ + ZnCl₂.

Марганцевые бронзы следует флюсовать с использованием ортофосфорной кислоты. При пайке необходимы быстрые методы нагрева во избежание окисления и образования хрупких интерметаллидов. Обработка поверхности перед пайкой флюсом из смеси солей хлоридов щелочных металлов с добавлением фторидов металлов.

Для высокотемпературной пайки используют флюсы с фторборатами и фторидами щелочных металлов.

Бериллиевые бронзы следует паять немедленно после механической подготовки серебряными припоями с флюсами (фтористыми солями).

Пайка алюминия и сплавов. Алюминий(Al) - химический элемент 3 группы периодической системы Менделеева, занимает порядковый номер 13, имеет атомный вес 26,98. В земной коре соединения алюминия составляют 8,80% ее веса. Вместе с О₂ и Si алюминий образует 82,58% массы земной коры, находясь внутри земной поверхности. Чистый алюминий получают электролизом глинозема Al₂O₃, растворённого в расплавленном криолите Na₃AlF₆. Глинозёмы добывают из горной породы - бокситов, в состав которой входят гидрат окиси алюминия, окислы, гидраты окислов, карбонаты и др. соединения кремния, железа, кальция, магния, натрия. Обычно алюминий трехвалентен (Al³⁺), однако при определённых условиях атом алюминия может превращаться в одноатомный ион Al⁺, образующий соединения низшей валентности. Алюминий – металл, не имеющий полиморфных превращений, кристаллическая решетка алюминия - куб с центрированными гранями, удельный вес алюминия r=2,7г/см³ (при +20 °С), Т_пл=660,24⁰С (99,996% Al). Технический алюминий имеет температуру плавления Т_пл=658 °С, температуру кипения Т_кип=2200⁰С, высокую теплопроводность и коррозионную стойкостью в атмосферных условиях, электропроводность составляет 65-67% от электропроводной меди.

На воздухе алюминий покрывается плёнкой окиси Al₂О₃, которая защищает его от дальнейшего окисления и обусловливает сравнительно высокую коррозионную стойкость металла. Концентрированная азотная кислота HNO₃ и органические кислоты на алюминий не действует, однако алюминий разрушается едкими мелочами, соляной и серной кислотами. Алюминий легко поддаётся обработке давлением – прокатке, прессованию, волочению, ковке, штамповке, сваривается хорошо.

Классификация промышленных сортов алюминия в зависимости от содержания основных примесей (Fe, Si, Cu) следующая:

Алюминий марки AB0000 – Al- 99,996% (примеси 0,004%), AB0000 – Al- 99,99% (примеси 0,01%), AB00 – Al-99,97% (примеси 0,03%), AB0 – Al-99,93%, (примеси 0,07%) - используются при производстве химической аппаратуры, электрических конденсаторов.

Алюминий марки A000 – Al-99,80 %,(примеси 0,20%), A00 – 99,7%, (примеси 0,30%), A0 –Al- 99,6 % (примеси 0,40%) используется при производстве фольги, в кабельном производстве.

Алюминий марок А1- 99,5%Al используют в производстве посуды; марки А2 – 99,0% Al используют при изготовлении токопроводящие изделий; марки А3 – 98,0 % Al используют для подшихтовки алюминиевых сплавов.

Алюминиевые сплавы классифицируют:

- по технологии изготовления на деформируемые (например АД0, АД1, АМц, Амг) и литейные(АЛ2,АЛ4, АЛ9);

- по способности к термической обработке сплавы разделяют на не упрочняемые термической обработкой (например АМц, АМг) и упрочняемые термической обработкой (сплавы В95, Д1, Д16, АК).

Сплавы в зависимости от легирования имеют соответствующие названия:

сплавы системы Al-Si – силумины,

системы Al-Mg – магналины,

системы Al-Cu-Mg – дуралюмины;

системы Al-Mg-Si-Cu – авиали;