Легкоплавкие (мягкие) припои

Припои и флюсы

Припой - это сплав металлов, предназначенный для соединения деталей и узлов методом пайки. Припой должен обладать хорошей текучестью в расплавленном состоянии, хорошо смачивать поверхности соединяемых материалов и иметь требуемые характеристики в твердом состоянии (механическая прочность, стойкость к воздействию внешней среды, усадочные напряжения, коэффициент теплового расширения и т.п.).

Выбор припоя зависит от соединяемых металлов или сплавов, от способа пайки, температурных ограничений, размеров деталей, требуемой механической прочности, коррозионной стойкости и др.

Отечественными производителями выпускаются припои под ГОСТированными наименованиями, а импортные припои, как правило, классифицируются фирмами производителями припоев, что усложняет их идентификацию. На мировом рынке наиболее известны припои под торговыми марками своих производителей: Alpha Metals, ASAHI, Cobar, Ersa, HARRIS, Heraeus, InterFlux, Multicore, Philips, Ctannol. В марках отечественных припоев заложено наименование входящих химических элементов и их процентное весовое содержание.

В области производства и ремонта электрического и электронного оборудования наибольшее применение нашли оловянно- свинцовые припои:

- безсурьмянистые (ПОС);
- малосурьмянистые (ПОССу), с содержанием до 0.5% сурьмы;
- сурьмянистые (ПОССу), с содержанием сурьмы более 0.5%.

Химический состав припоя определяет его температуру плавления. Внесение различных добавок приводит к изменению его эксплуатационных свойств. Как правило, припои под торговыми марками известных производителей имеют гарантию задекларированной степени чистоты припоя, а следовательно и соответствие заявленным параметрам. Следует иметь в виду, что длительное и нарушение условий хранения не способствует сохранению заявленных свойств и параметров паяльных материалов. Сохранению свойств припоя, способствует использование антиоксидантов и специальных восстановителей припоя.

Легкоплавкие (мягкие) припои.

Наиболее широко применяются легкоплавкие припои. К этой категории относятся припои с температурой плавления до 400° С, имеющие сравнительно невысокую механическую прочность (со­противление разрыву до 7 кг/мм²).
В состав их входят олово и свинец в различных пропорциях.
Буквы ПОС в марке припоя означают припой оловянно-свинцовый, цифры - содержание олова в процентах (ПОС 61, ПОС 40)

Марка	Химический состав в %	Температура оC
олово	свинец	сурьма	примесей не более
медь	висмут	мышьяк	начало	конец
ПОС-90		9,62	0,15	0,08	0.1	0,05
ПОС-40		57,75	2,0	0,1	0,1	0,05
ПОС-30		67,7	2,0	0,15	0,1	0,05
ПОС-18		79,2	2,5	0,15	0,1	0,05

При выборе типа припоя необходимо учитывать его особенности и применять в зависимости от назначения спаиваемых деталей. При пайке деталей, не допускающих перегрева, используются припои, имеющие низкую температуру плавления.

Легкоплавкие припои

Марка припоя	Температура	Область применения
ПОС 90	222 ºC	Пайка деталей и узлов, подвергающихся в дальнейшем гальванической обработке (серебрение, золочение)
ПОС 61	190 ºC	Лужение и пайка тонких спиральных пружин в измерительных приборах и других ответственных деталей из стали, меди, латуни, бронзы, когда не допустим или нежелателен высокий нагрев в зоне пайки. Пайка тонких (диаметром 0,05 - 0,08 мм) обмоточных проводов, в том числе высоко - частотных (лицендрата), выводов обмоток, радиоэлементов и микросхем, монтажных проводов в полихлорвиниловой изоляции, а также пайка в тех случаях, когда требуется повышенная механическая прочность и электропроводность.
ПОС 50	222 ºC	То же, но когда допускается более высокий нагрев, чем при ПОС 61
ПОС 40	235 ºC	Лужение и пайка токопроводящих деталей неответственного назначения, наконечников, соединение проводов с лепестками, когда допускается более высокий нагрев, чем при ПОС 50 или ПОС 61.
ПОС 30	256 ºC	Лужение и пайка механических деталей неответственного назначения из меди и её сплавов, стали и железа.
ПОС 18	277 ºC	Лужение и пайка при пониженных требованиях к прочности шва, деталей неответственного назначения из меди и её сплавов, оцинкованного железа.
ПОССу 4 - 6	265 ºC	Лужение и пайка деталей из меди и железа погружением в ванну с расплавленным припоем.
ПОСК 50	145 ºC	Пайка деталей из меди и её сплавов, не допускающих местного перегрева. Пайка полупроводниковых приборов.
ПОСВ 33	130 ºC	Пайка плавких предохранителей.
ПОСК 47 - 17	180 ºC	Пайка проводов и выводов элементов к слою серебра, нанесённого на керамику методом вжигания.
П 200	200 ºC	Пайка тонкостенных деталей из алюминия и его сплавов.
П 250	280 ºC
Сплав “Розе”	92-95 ºC	Пайка, когда требуется особо низкая температура плавления припоя.
Cплав д’Арсенваля	79 ºC
Сплав Вуда	60 ºC

Выпускают легкоплавкие припои в виде литых чушек, прутков, проволоки, лент фольги, порошков, трубок диаметром от 1 до 5 мм, заполненных канифолью, а также в виде паст, составленных из порошка припоя и жидкого флюса.

Рекомендуемые производители припоев: Radiel-fondam, Felder, AIM. Качественный припой в виде проволоки на катушке должен иметь ровную поверхность и блестеть.

Для хранения припоя нежелательно использование металлических коробочек, крышек, консервных банок, так как припой, упавший на их поверхность прилипает, металл такой коробочки (особенно если она используется еще и в виде подставки для паяльника) разогревается, появляются сложности с точным дозированием, и в результате образуется олово-канифольная каша, с которой работать будет не очень удобно.

Для получения специальных свойств в состав оловянно-свинцовых припоев вводят сурьму, кадмий, висмут и другие металлы. Состав некоторых таких припоев приведён в следующей таблице.

Специальные легкоплавкие припои

Марка	Содержание элементов, %	Температура плавления ºC
Sn	Pb	Sb	Bi	Cd	Za
ПОССу 4 - 6	3-4	90-92	5-6
ПОСК 50 - 18	49-51	29,8-33,8	0,2		17 - 19
ПОСВ 33	33,4	33,3		33,3
П 250
П 200
Сплавы Розе	15,5			52,5
Сплав д’Арсенваля	9,4	45,1		45,5
Сплав Вуда	12,5				12,5

Твердые припои

Твердые припои создают высокую прочность шва. В электро- и радиомонтажных работах они используются значительно реже, чем мягкие припои. В таблице приведены составы некоторых медно-цинковых припоев.

Марка	Химический состав в %	Температура плавления в оС
медь	цинк	примесей не более
сурьма	свинец	олово	железо
ПМЦ-42	40—45	остальное	0,1	0,5	1,6	0,5
Г1МЦ-47	45—49	0,1	0,5	1,5	0,5
ПМЦ-53	49-53	0,1	0,5	1,5	0,5

В зависимости от содержания цинка изменяется цвет припоя. Эти припои применяются для пайки бронзы, латуни, стали и других металлов, имеющих высокую температуру плавления. Припой ПМЦ-42 применяется при пайке латуни с содержанием 60—68% меди. Припой ПМЦ-52 применяется при пайке меди и бронзы. Медно-цинковые припои изготовляются путем сплавления меди и цинка в электропечах, в графитовом тигле. По мере расплавления меди в тигель добавляют цинк, после расплавления цинка добавляется около 0,05% фосфорной меди. Расплавленный припой разливается в формочки. Температура плавления припоя должна быть меньше температуры плавления припаиваемого металла. Кроме указанных медно-цинковых припоев, находят применение и серебряные припои. Составы последних приведены в следующей таблице.

Марка	Химический состав в %	Температура плавления в оС
серебро	медь	цинк	примеси не более
свинец	всего
ПСР-10	9,7—10,3	52-54	Ос т а л ь н о е	0,5	1,0
ПСР-12	11,7-12,3	35-37	0,5	1,0
ПСР-25	24,7-25,3	39-41	0,5	1,0
ПСР-45	44,5-45,5	20,5 –30,5	0,3	0,5
ПСР-65	64,5-65,5	19,5 -—20,5	0,3	0,5
ПСР-70	69,5-70,5	25,5— 26,5	0,3	0,5

Серебряные припои обладают большой прочностью, спаянные ими швы хорошо изгибаются и легко обрабатываются. Припои ПСР-10 и ПСР-12 применяются для пайки латуни, содержащей не менее 58% меди, припои ПСР-25 и ПСР-45 — для пайки меди, бронзы и латуни, припой ПСР-70 с наиболее высоким содержанием серебра — для пайки волноводов, объемных контуров и т. п.

Кроме стандартных серебряных припоев, используются и другие, составы которых приведены ниже.

Химический состав в %	Температура плавления в оC
серебро	медь	цинк	кадмий	фосфор
		__	__	__
		__	__
	15,5	16,5		—

Первый из них применяется для пайки меди, стали, никеля, второй, обладающий высокой проводимостью,— для пайки проводов; третий может применяться для пайки меди, но не пригоден для черных металлов; четвертый припой обладает особой легкоплавкостью, является универсальным для пайки меди, ее сплавов, никеля, стали.

В ряде случаев в качестве припоя используется технически чистая медь с температурой плавления 1083°С.

Во время пайки температура соединяемых деталей значительно повышается и скорость окисления металлических поверхностей возрастает. Вследствие этого припой хуже смачивает со­единяемые детали. Поэтому необходимо использовать различные флюсы, которые не только надежно защища­ют поверхность металла и припоя от окисления, но так­же улучшают условия смачивания металлической по­верхности расплавленным припоем.

Флюсы — вещества (чаще смесь) органического и неорганического происхождения, предназначенные для удаления окислов с поверхности под пайку, снижения поверхностного натяжения, улучшения растекания жидкого припоя и/или защиты от действия окружающей среды. При паянии флюсы играют роль химических растворителей и поглотителей окислов. В процессе паяния они предохраняют металл от окисления и создают условия для смачивания металла припоем. В зависимости от технологии флюс может использоваться в виде жидкости, пасты или порошка. Существуют также паяльные пасты, содержащие частицы припоя вместе с флюсом, иногда трубка из припоя содержит внутри флюс-заполнитель.

Существуют флюсы, которые представляют собой, как правило, многокомпонентные системы, выполняющие сразу несколько функций. Это очистка поверхности, удаление окисла, улучшение растекания припоя и, как следствие, увеличение прочности и плотности соединения.

Форма поставляемого припоя зависит от способа пайки:

- ручной (индивидуальной) – контактной, инфракракрасной, ультразвуковой, лазерной;
- механизированной (групповой) – инфракрасной, волной припоя, двойной волной припоя, в парогазовой фазе, лазерной.

Условно флюсы можно подразделить на оржавляющие и неоржавляющие (коррозирующие и некоррозирующие, нейтральные), т.е. на те, которые требуют после пайки хорошей промывки паяного соединения и те, которые не оржавляют пайку и даже могут в дальнейшем защищать ее от коррозии.

Кроме того, флюсы условно разделяются на активные и пассивные. Активные флюсы содержат в своем составе вещества, которые активно взаимодействуют с поверхностью металла, это кислоты (салициловая, лимонная, фосфорная и т.д.), хлористый цинк, хлорид аммония, гидрохлориды некоторых органических соединений, органические амины, глицерин.

Пассивные (или слабоактивные) флюсы, это канифоль, которая представляет собой смесь органических кислот, парафин, минеральные, растительные и животные масла, жирные кислоты. Они удаляют тонкие и нестойкие пленки окислов и способствуют растеканию припоя.

Неактивные (безкислотные) флюсы

 

Состав в %	Область применения	Способ удаления остатков
Канифоль светлая	Пайка меди, латуни, бронзы легкоплавкими припоями.	Промывка кистью или тампоном, смоченным в спирте или ацетоне.
Канифоль - 15-18; спирт этиловый - остальное (флюс спиртоканифольный)	То же, и пайка в труднодоступных местах	Тоже
Канифоль - 6; глицерин -14; спирт этиловый или денатурированный - остальное (флюс глицерино-конифольный)	То же, при повышенных требованиях к герметичности паяного соединения.	То же

Наиболее широко в электро- и радиомонтажных работах применяется канифоль (в сухом виде или раствор ее в спирте). Самое ценное свойство канифоли, как флюса, заключается в том, что ее остатки после пайки не вызывают коррозии металлов. Канифоль не обладает ни восстанавливающими, ни растворяющими свойствами. Она служит исключительно для предохранения места пайки от окисления.

Классическим флюсом является флюс спиртоканифольный (КСп) — простой и эффективный для пайки печатных плат и радиокомпонентов.

Состав: канифоль 10-60%, спирт — остальное, абсолютно нейтрален, не требует промывки. Канифоль лучше брать светлых сортов, растворять можно в спирте, этилацетате, бензине, ацетоне, дешевом одеколоне. После полного растворения канифоли флюс считается готовым. Канифоль можно заменить хвойной живицей (смолой).

Несколько повысить эффективность спиртоканифольного флюса можно добавкой глицерина: канифоль 6%, глицерин 14%, спирт — остальное.

Необходимость удаления остатков флюса после пайки определяется в зависимости от того, что находится в составе флюса: кислоты или комбинации спиртов.
Флюсы, приготавливаемые на основе канифоли с добавлением неактивных веществ: спирта, скипидара, глицерина, не требуют смывки, т.к. остаток канифоли – негигроскопичен и является хорошим диэлектриком.

Флюс, который имеет имеет остаточное сопротивление, требует смывки водой или спиртом. Во всех рецептах этиловый спирт может быть любого сорта — “Экстра”, медицинский, гидролизный, технический, денатурат. Можно также взять этилацетат.

Этот флюс нужно хранить в пузырьке с притертой пробкой. Для жидкого флюса не рекомендуется применять канифоль, предназначенную для натирания скрипичного смычка, так как пайка может быть загрязнена посторонними примесями. При применении канифоли места пайки должны быть тщательно очищены от окислов. Часто для пайки с канифолью детали следует предварительно облуживать.

В некоторых исключительных случаях вместо кани­фоли можно пользоваться ее заменителями. Так, кани­фольный лак, имеющийся в продаже в хозяйственных магазинах, можно применять как жидкий флюс взамен раствора канифоли в спирте. Этот же лак можно ис­пользовать и для антикоррозийного покрытия металлов.

В качестве флюса при пайке электрических цепей можно в случае крайней необходимости пользоваться также «живицей» — смолой сосны или ели — доступным материалом, особенно любителям, живущим в сельской местности. Такой флюс можно приготовить самому. Наб­ранную в лесу с деревьев смолу нужно растопить в же­стяной банке на слабом огне (на сильном огне смола может воспламениться). Расплавленную массу разлить в спичечные коробки. Застывшая смола используется в качестве флюса так же, как канифоль.

Если под рукой канифоли или другого флюса нет, то в самом крайнем случае канифоль можно заменить таб­леткой аспирина, имеющейся в любой домашней аптеч­ке. Недостаток этого флюса — неприятный запах дыма, выделяющийся при плавлении аспирина.

Ускорить процесс пайки и повысить в ряде случаев качество соединений можно, применив вместо канифоли глицериновую пасту. С помощью пасты можно паять де­тали из самых разнообразных металлов и сплавов да­же без предварительной зачистки или лужения, что осо­бенно удобно при пайке в труднодоступных местах. Гли­цериновую пасту легко изготовить самому. Состав ее следующий: 48% веретенного масла, 12% пчелиного воска, 15% светлой канифоли, 15% глицерина, 10% на­сыщенного водного раствора хлористого цинка.

Изготовляя глицериновую пасту, ее нужно все время подогревать. Сначала расплавляют канифоль, затем до­бавляют веретенное масло, воск, глицерин и в послед­нюю очередь хлористый цинк.

Пасту можно изготовить и по более простому рецеп­ту. Кусочки канифоли размельчают в порошок и, под­ливая глицерин, растирают до густоты сметаны. Паста удобна тем, что она хорошо сохраняется длительное время. Хранить ее можно в любой посуде с крышкой. На место пайки пасту наносят с помощью кусочка про­волоки.

С помощью активных флюсов спаивают металлы с прочной окисной пленкой, в большинстве случаев активные флюсы - оржавляющие.

Активные (кислотные) флюсы.

Состав %	Область применения	Способ удаления остатков
Хлористый цинк - 25-30; концентрированная соляная кислота - 06-07; остальное вода	Пайка деталей из чёрных и цветных металлов.	Тщательная промывка водой.
Хлористый цинк (насыщенный раствор) 3,7: вазелин технический 85; вода дистиллированная -остальное (флюс паста)	То же, когда по роду работы удобнее пользоваться пастой.	То же.
Хлористый цинк - 1,4; глицерин - 3; спирт этиловый -40; остальное вода дистиллированная.	Пайка никеля, платины и её сплавов.	То же.
Канифоль - 24; хлористый цинк - 1; остальное этиловый спирт.	Пайка цветных и драгоценных металлов (в том числе золото), ответственных деталей из чёрных металлов.	Промывка ацетоном.
Канифоль - 16; хлористый цинк - 4; вазелин технический - 80; (флюс паста)	То же, для получения соединений повышенной прочности, но только деталей простой конфигурации, не затрудняющей промывки.	То же.

К химически активным флюсам прежде всего относится соляная кислота, которая употребляется для пайки стальных деталей мягкими припоями. Кислота, оставшаяся после пайки на поверхности металла, растворяет его и вызывает, появление коррозии. После пайки изделия необходимо промыть горячей проточной водой. Применение соляной кислоты при пайке радиоаппаратуры запрещается, так как во время эксплуатации возможно нарушение электрических контактов в местах пайки. Следует учитывать, что соляная кислота при попадании на тело вызывает ожоги.

При пайке печатных плат имеет значение остаточное сопротивление флюса, поэтому даже для нейтральных, не коррозирующих флюсов может требоваться смывка остатков.
Независимо от того, какой флюс используется, готовую пайку нужно обязательно протирать тряпочкой, смоченной в спирте-ректификате или ацетоне, а также прочищать жесткой щеточкой или кисточкой, смоченной растворителем, для удаления остатков флюса и грязи.

Самым простым и очень эффективным флюсом является хлористый цинк (ZnCl2).
Хлористый цинк (травленая кислота) в зависимости от условий пайки применяется в виде порошка или раствора. Используется для пайки латуни, меди и стали. Для приготовления флюса необходимо в свинцовой или стеклянной посуде растворить одну весовую часть цинка в пяти весовых частях 50-процентной соляной кислоты. Признаком образования хлористого цинка служит прекращение выделения пузырьков водорода. Из-за того, что в растворе всегда имеется небольшое количество свободной кислоты, в местах пайки возникает коррозия, поэтому после пайки место спая должно тщательно промываться в проточной горячей воде. Пайку с хлористым цинком в помещении, где находится радиоаппаратура, производить нельзя. Применять хлористый цинк для пайки электро и радиоаппаратуры также нельзя. Хранить хлористый цинк необходимо в стеклянной посуде с плотно закрытой стеклянной пробкой.

Получить хлористый цинк можно так:

Растворим кусочки цинка (его можно достать из использованной батарейки) в разбавленной 1:1 соляной кислоте добавляя его до тех пор, пока он не перестанет растворяться. Лучше это делать на свежем воздухе. Еще более повысить эффективность флюса, можно добавкой хлористого аммония (нашатырь, NH4Cl), в количестве равным (или двойным) весу израсходованного цинка. С помощью такого флюса можно паять почти все металлы. Спай нужно промыть чистой водой, но лучше слабым раствором питьевой соды или раствором (0,5-2%) аммиака.

Очень неплохим флюсом является концентрированная фосфорная кислота, особенно для пайки нержавейки и нихрома. Ниже приведены различные рецепты флюсов (в весовых %).

В последнее время широкое применение получила группа флюсов ЛТИ, применяемых для пайки металлов мягкими припоями. По своим антикоррозийным свойствам флюсы ЛТИ не уступают бескислотным, но в то же время с ними можно паять металлы, которые раньше не поддавались пайке, например детали с гальваническими покрытиями. Флюсы ЛТИ могут применяться также для пайки железа и его сплавов (включая нержавеющую сталь), меди и ее сплавов и металлов с высоким удельным сопротивлением.

Наименование	В весовых пропорциях
ЛТИ-1	ЛТИ-115	ЛТИ-120
Спирт-сырец или ректификат	67-73	63-74	63-74
Канифоль	20-25	20-25	20-25
Солянокислый анилин	3-7	—	—
Метафенилендиамин	—	3-5	—
Диэтиламин солянокислый	—	—	3-5
Триэтаноламин	1-2	1-2	1-2

При пайке с флюсом ЛТИ достаточно произвести очистку мест пайки только от масел, ржавчины и других загрязнений. При пайке оцинкованных деталей удалять цинк с места пайки не следует. Перед пайкой деталей с окалиной последняя должна быть удалена травлением в кислотах. Предварительное травление латуни не требуется. Флюс наносится на место спая с помощью кисточки, что можно сделать заблаговременно. Хранить флюс следует в стеклянной или керамической посуде. При пайке деталей сложного профиля можно применять паяльную пасту с добавлением флюса ЛТИ-120. Она состоит из 70—80 г вазелина, 20—25 г канифоли и 50—70 млг флюса ЛТИ-120.

Но флюсы ЛТИ-1 и ЛТИ-115 имеют один большой недостаток: после пайки остаются темные пятна, а также при работе с ними необходима интенсивная вентиляция. Флюс ЛТИ-120 не оставляет темных пятен после пайки и не требует интенсивной вентиляции, поэтому применение его значительно шире. Обычно остатки флюса после пайки можно не удалять. Но если изделие будет эксплуатироваться в тяжелых коррозийных условиях, то после пайки остатки флюса удаляются при помощи концов, смоченных спиртом или ацетоном. Изготовление флюса технологически несложно: в чистую деревянную или стеклянную посуду заливается спирт, насыпается измельченная канифоль до получения однородного раствора, затем вводится триэтаноламин, а затем активные добавки. После загрузки всех компонентов смесь перемешивается в течение 20—25 минут. Изготовленный флюс необходимо проверить на нейтральную реакцию с лакмусом или метилоранжем. Срок хранения флюса не более 6 месяцев.

Флюс радиомонтажный, нейтральный. Пайка — железо, нержавеющая сталь, медь, бронза, цинк, нихром, никель, серебро. Не требует вентиляции. Остатки флюса смывать не обязательно, при желании легко смываются спиртом, ацетоном и т.п.

Спирт этиловый
Канифоль
Анилин солянокислый
Триэтаноламин

Железо, нержавеющая сталь, медь, бронза, цинк, нихром, никель, серебро. Требует вентиляции. Не оржавляет. Во всяком случае, за долгое время его применения я не замечал следов окисления. Триэтаноламин можно заменить несколькими каплями нашатырного спирта. Рецепт лучше готовить так:

Растворить в половине спирта канифоль. Во вторую половину спирта добавить триэтаноламин (или несколько капель аммиака) и затем солянокислый анилин, если он плохо растворяется, осторожно по каплям добавлять воду, пока не начнет растворяться. Осторожно смешать два раствора.

Канифоль
Гидрозин солянокислый
Спирт этиловый

Требует вентиляции.

Канифоль
Метафенилендиамин
Спирт этиловый

Требует вентиляции.

Янтарнокислый аммоний (насыщенный раствор)	45-50
Триэтаноламин	7-10
Глицерин	остальное

Хранить в темном стекле.

"Прима – 1"

Хлористый цинк (ZnCl2)	1,4
Глицерин
Спирт этиловый	Остальное

Для пайки никеля, платины, платиновых сплавов, оржавляет, промывка обязательна, водой.

Хлористый цинк (ZnCl2)
Канифоль
Вазелин технический

Для соединений повышенной прочности, оржавляет, промывка обязательна, ацетоном.

Хлористый цинк (ZnCl2)
Канифоль
Спирт этиловый	Остальное

Для пайки драгоценных (золото) и черных металлов, оржавляет, промывка обязательна, ацетоном.

ФИМ

Ортофосфорная кислота (плотность 1,7)
Спирит этиловый 3,7	3,7
Вода	Остальное

Пайка стали, меди, константана, серебра, платины. Промывка водой.

Канифоль
Парафин
Стеариновая кислота
Триэтаноламин

Пайка радиотехнических элементов. Не оржавляет

Канифоль
Стеариновая кислота
Пальмитиновая кислота
Олеиновая кислота