Консп.лекций_ПАЙКА

Припои, содержащие медь, никель и цинк обладают повышенной жаростойкостью и механической прочностью паяных соединений. Добавка в припои марганца делает припои кислотостойкими.

Титановые, циркониевые, ниобиевые, гафниевые припои. Титановые припои применяются для пайки титана и его сплавов, окиси бериллия и графита. Титановый сплав с медью (35% меди) применяется для пайки крамики с кераликой и керамики с металлм. Пайку титановыми припоями обычно выполняют в чистой инертной среде или в вакууме.

Сплавы циркония с ванадием, железом, бериллием и ниобием могут быть использованы для пайки ниобия и его сплавов. Для пайки керамики и молибдена используются сплавы: 16Ti –28V –56Zr ; Тпл= 12000С; 20Nb –

80Zr;Тпл= 17300С; 20Nb –1-5Mo –75-79Zr ;Тпл= 18000С.

Ниобиевые и гафниевые припои применяют для пайки тантала, вольфрама, изделий электровакуумной и радиоэлектронной техники, сопловых насадок, деталей ионных и плазменных двигателей и других изделий, работающих при высоких температурах.

Лекция 9 Самофлюсующие и композиционные припои

Самофлюсующие припои – это припои, отдельные компоненты которых обладают флюсующими свойствами. Такие припои наиболее целесообразны при пайке нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, на поверхности которых образуются стойкие окисные пленки, состоящие из трудно удаляемых оксидов хрома, титана, алюминия, поэтому смачивание паяемого металла расплавленным припоем затруднено. В качестве самофлюсующих компонентов припоев применяют бор, фосфор, кремний, германий, барий и щелочные металлы: магний, калий, натрий. Как пример приведены составы и температуры плавления некоторых припоев:

Ag (84,8 %) – Mn (15 %) – Li (0,2 %), Тп= 930 – 960 ОС

Ag (72 %) – Cu (26,5 %) – Ni (1,0 %) – Li (0,5 %), Тп = 840 – 860 ОС Cu (98 %) – Si (2 %), Тп = 1000 – 1050 ОС

Cu (32,5 %) – Ag (62,5 %), Тп = 870 – 940 ОС

Cu (95 %) – P (5 %), Тп = 950 ОС

Ni (89,5 %) – B (4,5 %) – P (6 %), Тп = 1030 – 1080 ОС

Самофлюсующая функция припоев поясняется восстанавливающими свойствами флюсующих добавок. Особенностью процесса флюсования является то, что окислы, которые образуются в процессе пайки, при температуре пайки взаимодействуют с оксидной пленкой паяемого металла, переводя ее в легкоплавкий шлак.

При анализе свойств флюсующих добавок можно видеть, что все они активны и способны непосредственно соединяться со многими простыми веществами.

61

При введении бора в припои в процессе их выплавки он растворяется, взаимодействует с расплавом с образованием боратов, частично окисляется. При пайке содержащийся в припое бор вступает в дальнейшие взаимодействия, а борный ангидрид и образовавшиеся при плавлении припоя

внезначительных количествах различного состава бораты вступают во взаимодействие с оксидной пленкой основного металла.

Всамофлюсующие припои, содержащие бор, часто порознь или одновременно вводят фосфор и кремний. Такое комплексное введение флюсующих компонентов способствует образованию в процессе пайки шлаков с низкой температурой плавления.

Фосфор в качестве флюсующего компонента используется в припоях на медной и никелевой основе. В меди при температуре 280 ОС растворяется

около 0,5%Р. При содержании 8,4 %Р образуется медно-фосфорная эвтектика с температурой плавления 714 ОС. С никелем фосфор также образует эвтектику с температурой плавления 880 ОС при содержании в сплаве 11 %Р.

Свободный фосфор чрезвычайно активен и способен непосредственно соединяться со многими простыми веществами. При его окислении

образуется три соединения: фосфорный ангидрид – Р2О5, фосфористый ангидрид – Р2О3 и четырехокись фосфора – Р2О4.

С медью фосфор образует два фосфида Cu3P и CuP2, с никелем дает большое количество соединений различного состава, в серебре растворяется

вжидком состоянии. Со многими металлами, входящими в состав многокомпонентных припоев, фосфор образует различного состава фосфиды.

Самофлюсование припоев, содержащих фосфор, связано с активностью его к кислороду, а также с образованием в процессе пайки между оксидами паяемого металла и соединениями фосфора легкоплавких шлаков.

Кремний в качестве флюсующего компонента вводится в припои на основе меди, никеля, марганца, кобальта, серебра, золота в отдельных случаях до 5 – 10 %. При высокотемпературной пайке кремний является активным восстановителем. Образующиеся при этом окислы кремния

взаимодействуют с оксидной пленкой с образованием аморфных сплавов типа стекол. Наряду с удалением оксидной пленки образующийся в процессе взаимодействия шлак защищает расплав припоя и поверхность основного металла от окисления.

Из щелочных металлов в качестве флюсующего компонента наибольшее распространение имеет литий, этот элемент вводится в припои на основе серебра, меди и никеля. Лития в припои имеет высокое химическое сродство к кислороду, азоту, водороду и сере, растворяется в расплавах серебра, меди, палладия, алюминия, цинка, кадмия. С серебром и палладием литий образует твердые растворы.

Небольшие добавки лития в припои являются поверхностно – активными, способствуют снижению краевого угла смачивания при растекании и снижение межфазной энергии в системе паяемый металл – расплав припоя. На воздухе литий легко окисляется, образуя оксид состава

62

Li2O с температурой плавления 1427 ОС и перекись лития состава Li2O2 с температурой плавления 425 ОС.

Механизм самофлюсования припоями, содержащими литий, объясняется его химической активностью к кислороду и способностью гидроокиси лития, которая в интервале 450 – 925 ОС находится в жидком состоянии, растворять многие окислы металлов.

Композиционные припои используют для обеспечения установленных техническими требованиями прочностных и физико-химических свойств паяных соединений, а также при сборке деталей с неравномерным или некапиллярным зазором.

Композиционные припои имеют гетерофазную структуру псевдосплава и состоят из наполнителя и матрицы.

Наполнитель композиционного припоя в виде порошка, сетки, волокон образует разветвленный капилляр,удерживающий основную часть жидкой фазы, которой является расплав припоя (матрица).

Наполнитель обеспечивает основные физико–механические характеристики паяных соединений, в частности их прочность. Матрица может вводиться в припой в виде порошков или покрытия, которое наносят на паяемые поверхности. Основное требование к матрице сводится к

обеспечению качественного смачивания наполнителя и поверхности паяемого материала. Матрица должна быть инертна к наполнителю, иметь достаточный уровень пластичности и вязкости; не образовывать хрупких соединений при взаимодействии с паяемыми материалами; иметь более низкий модуль упругости по - сравнению с наполнителем и температуру плавления, превышающую температуру работы изделия.

По способу введения в зазор композиционные припои подразделяются на четыре вида:

-применяются в виде многослойных покрытий;

-используется в виде фасонных или простых профилей – фольг, лент, втулок, получаемых методами порошковой или волокнистой металлургии в сочетании с обработкой давлением (прокатка, штамповка после пропитки матрицей порошков или волокон);

-методами нанесения покрытий на профили;

-применяются в виде смеси порошков или паст, которые вводят в зазор непосредственно перед пайкой; -комбинированные способы – сочетание приведенных выше способов.

Композиционная структура в шве может быть получена за счет применения композиционного припоя; за счет диспергирования паяемых материалов или в процессе диффузионной пайки; при образовании твердого раствора.

Внастоящее время определены следующие способы применения композиционных припоев и получения композиционной структуры паяемых швов:

1)при применении припоя, сохраняющего композиционную структуру в шве после пайки. Обычно методами волокнистой металлургии получают

63

губчато-образную сетку, состоящую из стальных волокон диаметром 0,13 мм и более (длина волокна в 20 раз больше диаметра), сетку спекают и пропитывают расплавом припоя и прокатывают до нужной толщины δ=0,05мм и более. Объемная доля волокна больше 10 – 20 %.

Полученную ленту припоя укладывают на соединяемые поверхности, которые собирают с зазором или без зазора и производят пайку. В качестве припоя используют сплавы 70 % Pb + 30 % Sn. Сетку волокна можно помещать в зазор а > 1мм, с последующей операцией частичного спекания, или без нее. Припой (матрица) укладывается около зазора и в процессе пайки пропитывает пористый материал.

Подобным образом производят пайку с использованием смеси порошков.

Применение смеси порошков позволяет паять материалы с большими зазорами и, что особенно важно, соединять разнородные материалы с резко различающимися значениями ТКЛР, снижать напряжения в шве при пайке инструмента, регулировать степень растекания припоя, паять пористые материалы с компактными, тонкостенные конструкции, исключая эрозию паяемых материалов.

Вкачестве наполнителя применяют порошки Cu, Fe, Ni, Co, Al2O3, ТiC, матрицей служит припои стандартных составов, например, системы Pb – Sn, Cu – Ni – Mn; Ni – Cr – Si, др.

Наполнитель обеспечивает основные механические, в частности, прочностные свойства. Матрица может вводиться в припой в виде порошков или покрытий, которые наносятся на паяемые поверхности.

Наполнитель, как и матрицу, выбирают исходя из эксплуатационных требований.

Порошковые припои могут быть изготовлены механическим смешением порошков компонентов припоя, порошков из слитков, выплавленных из компонентов припоя, порошка из слитков и остальных компонентов. Порошки припоев могут быть изготовлены дроблением, распылением расплава, термоцентробежным распылением в инертном газе. В зависимости от назначения припоя порошок применяют в виде гранул размером 10 – 200 мкм

Для удобства порошковые припои используют в виде паст. Пасты для низкотемпературной пайки состоят из трех частей – порошкообразного припоя, флюса и загустителя. В качестве флюса может быть использован любой флюс, применяемый для пайки изделия непорошковым припоем, обычно это хлористый цинк или канифоль. Для придания пасте колллоидного состояния вводят крахмал, декстрин, ланелин, воск, поливиниловый спирт.

Например, используется паста следующего состава: 6 % канифоли; 6 %

нашатырного спирта; 13 % SnCl2; 20 % ZnCl2; 13 % глицерина; 27 % порошка цинка; 9 % порошка Sn; 6 % порошка Pb.

Вкачестве флюса в порошковых припоях для пайки алюминия и магния применяют смеси хлористых и фтористых солей, для высокотемпературной пайки – флюсы, содержащие боридные соединения.

64

К связующим веществам пастообразных припоев предъявляют следующие требования: в процессе пайки они не должны окислять припой и паяемый металл; при выгорании не оставлять на поверхности деталей сажистого остатка; не препятствовать растеканию припоя; продукты сгорания не должны быть токсичны.

Для связующих компонентов пастообразных припоев используют акриловую смолу, акриловый лак.Например, для пайки никелевых сплавов с зазором 0.5-1.5 мм используют в виде пасты припой ВБр11-40Н. При изготовлении пасты используют 10% раствор акриловой смолы БМ-К. В

раствор Р-5, Cr-14-16%; Fe-3-5%; Si 4-5%; B 2-4%, Al – 0.1-1.0%; C- 0.5-0.6%; Tп- 980 . Наполнитель с более высокой, чем у припоя ВБр11 температурой плавления, помещенный в зазор, препятствует вытеканию припоя, повышает коррозионную стойкость паяемого металла.

При пайке пористых материалов используют наполнитель в виде сетки либо порошков, которые удерживают матрицу (припой), не позволяя ей растекаться по поверхности.

Волокна являются наиболее эффективным упрочнителем. Эффективность упрочнения определяется коэффициентом упрочнения, который показывает отношение пределов текучести композиционного к пределу текучести неармированного материала и зависит от отношения длины к диаметру волокна, средней прочности волокна и его объемного содержания.

Матрица действует как среда, передающая напряжение. А эффект упрочнения определяется свойствами волокон.

Коэффициент упрочнения материала частицами зависит от их объемной доли. Равномерности распределения определяется в основном способностью тормозить давление дислокаций. Коэффициент упрочнения, составляющий 5- 30 раз, характерен для дисперсных систем с размером частиц dr<0.1 мкм.

В керметах, состоящих из мелких керамических частиц и металлической матрицы при увеличении размера частиц (dr=0.1-10 мкм), коэффициент упрочнения изменяется от 5 до 0,5. Упрочнение дисперсными частицами наиболее эффективно при работе изделий при повышенных температурах. Коэффициент относительной жаропрочности (Траб/Тпл) для традиционных никелевых сплавов составляет 0,76 Тпл, для дисперсно упрочненных никелевых сплавов – не менее 0,9 Тпл. (Траб > 1200 – 1300 ОС).

Наибольшая прочность и стабильность структуры при повышенных температурах характерна для материалов, армированных волокнами.

Пайка припоями, обеспечивающими возможность получения в составе структуры твердых растворов, используется при работе изделий в условиях агрессивных сред, циклических нагрузок, сверхнизких температур.

Композиционный припой используется в виде многослойных фольг, покрытий, послойного нанесения порошков, сеток в сочетании с ниточными

65

или порошковыми припоями. Для снижения температуры пайки компоненты слоев подбирают таким образом, чтобы в процессе контактного плавления происходило образование жидкой фазы.

Для пайки титана используют покрытие из сплава системы Cu-Zn, либо

Cu-(Co-Ni)-Cu, Tn=950-1000 C, в течение t=15-60 мин. Введение никеля снижает количество интерметаллидной фазы Ti3Cu. Шов состоит из альфатвердого раствора и альфа-титана и равномерно распределяемых включений Ti3Ni, легированных медью.

Третий способ – получение композиционной структуры в процессе диффузионной пайки или диспергирования, причем исходный припой может не иметь композиционной структуры. Например, в процессе диффузионной пайки некоторых жаропрочных никелевых сплавов в шве выпадает упрочняющая фаза Ni3(AlTi).

Композиционная структура может быть получена в процессе диспергирования поверхности основного металла при контакте ее с жидким пропоем. Эффект диспергирования в основном исследован для систем с отсутствием взаимной растворимости. Вклад упрочнения шва от

диспергирования в два раза выше, чем отдисперсных частиц, вводимых в

припой.

Например, при пайке сплава вольфрама W-3Ni-2Cu припоем системы Ni- Mn-Cr-Co. Тп=1300=1320 С; t=10-15 мин, зазор 0-0.5 мм. частицы вольфрама размером 0.01 мм заполняют всю ширину шва.

Лекция 10 Способы капиллярной и некапиллярной пайки

Выбор способа пайки определяется многими факторами, а именно:

- физическими свойствами материала (температурой плавления и кипения, теплопроводностью и др.), его химическим составом и свойствами (в частности химической активностью легирующих элементов), паяемостью, толщиной паяемого материала, длиной и конфигурацией соединений, размещением и доступностью соединений при пайке, точностью сборки под пайку, возможностью транспортировки изделия, программой выпуска изделий, типом производства, материальными затратами, потому что при проектировании технологии пайки конкретного изделия надо принимать во внимание технико-экономические характеристики способов пайки и наиболее рациональные области их использования.

В соответствии с ГОСТ 17349-79, способы пайки классифицируют по следующим характеристикам:

По методу удаления оксидной пленки: абразивная, кавитационно-

абразивная, флюсовая, в активной или нейтральной контролируемой атмосфере, вакуумная.

66

По источникам нагрева: печная, индукционная, погружением (в

определяют способ пайки по механизму образования спая.

По механизму образования паяного соединения и условиям заполнения паяльного зазора способы пайки распределяются на капиллярную пайку и

некапиллярную пайку. Способы капиллярной пайки следующие: готовым припоем, диффузионная, контактно-реактивная, реактивно-флюсовая.

При капиллярной пайке расплавленный припой заполняет зазор и удерживается в нем под действием капиллярных сил. Размер зазора

экономичность процесса пайки, дефектность структуры, протекание ликвационных процессов.

Зазоры распределяются на большие (0,2-0,7 мм), номинальные (0,05-0,2

мм) и малые ( 0, 05 мм ). Оптимальный размер зазора определяется

комплексом факторов – конструкцией соединения, металлургическими особенностями процесса взаимодействия припоя с паяемым материалом, активностью флюса или газовой среды, состоянием поверхности паяемого металла.

При пайке готовым припоем основным требованием является

обеспечение процессов физико-химического взаимодействия на границе контакта твердой и жидкой фаз: смачивания, растекания, процессов растворно-диффузионного взаимодействия.

Контактно – реактивной называется капиллярная пайка, при которой припой образуется в результате контактно - реактивного плавления соединяемых материалов, промежуточных покрытий или прокладок с образованием эвтектики или твердого раствора.

Контактным плавлением называется переход в жидкое состояние приведенных в контакт разнородных твердых веществ при температуре ниже их точек плавления.

Основные системы компонентов, используемых при диффузионной и контактно-реактивной пайке, следующие:

Al-Zn; Al-Ge; Al-Si; Al-Be; Ag-Si; Ag-Cu; Ag-Ga; Sn-Bi; Pb-Bi; Ti-Bi; Cu-P; Ag-Be; Cu-B; Fe-C; Au-Sb; Zn-Bi.

Явление контактного плавления возможно лишь при нагреве контактирующих веществ выше температуры образования эвтектики или выше температуры плавления наиболее легкоплавкого сплава системы с минимумом на кривой ликвидус.

Процесс контактного плавления включает три стадии:

1) подготовительную стадию, при которой на границе контактирующих металлов возникает слой твердого раствора или химических соединений;

67

2) стадию образования жидкой фазы; 3) стадию плавления твердых контактирующих фаз.

На первой стадии взаимодействия при контактно – реактивной пайке проходит диффузия компонентов в объем твердых металлов, которая проходит до тех пор, пока концентрация второго компонента в поверхностных слоях взаимодействующих металлов не достигнет равновесного предела растворимости при данной температуре.

По достижении определенной степени насыщения твердого раствора диффундирующим компонентом начинается образование жидкой фазы -

вторая стадия контактного плавления. Жидкая фаза образуется по границам зерен и дефектам структуры, это объясняется более высокими значениями коэффициента диффузии по границам зерен, чем в объем зерна. Образование жидкого расплава по границам зерен обычно происходит со стороны того из контактирующих металлов, в котором растворимость другого металла мала, или же в нем достаточно много растворимых примесей. Более всего активно диффузия протекает в сторону компонента, который имеет большую растворимость.

Третья стадия – плавление - наступает тогда, когда пересыщение твердого раствора происходит в определенном объеме контактирующих металлов, большем некоторой критической величины.

Контактно – реактивное плавление начинается обычно от мест неровностей на контактирующих поверхностях, поэтому фронт плавления состоит из отдельных сегментов, а потом выравнивается в общую линию.

При подготовке паяемых металлов перед контактно – реактивной пайкой возможны следующие варианты сборки.

При соединении разнородных металлов А и В, способных к контактно

– реактивному плавлению (рис.16):

а) при непосредственном контакте материалов; б) при контакте материалов через прослойку С, не вступающую в контактно – реактивное плавление с А и В, для предотвращения изменения размеров и формы соединяемых деталей при температуре пайки; прокладку покрывают тонким слоем материала В со стороны детали состава А и материала А со стороны детали состава В; такая прокладка гарантирует от недопустимого развития химической эрозии паяемых материалов.

в) при контакте через слой припоя Mпр и покрытие А и В; при укладке в зазор между материалами А и В припоя Mпр, и нанесении на него или прилегающий к нему материал (например А) другого контактирующего материала (например В), происходит активирование поверхности паяемых деталей.

68

В С А

А В

Рис.16. Схема сборки под пайку при соединении разнородных металлов А и В, способных к контактно – реактивному плавлению

Контактно-реактивную пайку можно проводить в двух режимах –

стационарном и нестационарном. При стационарном режиме под действием давления, прилагаемого к контактирующим элементам, происходит непрерывное удаление избытка образующейся жидкой фазы, и толщина жидкой прослойки поддерживается постоянной. При нестационарном режиме толщина жидкой прослойки с течением времени непрерывно возрастает вследствие растворения контактирующих веществ в жидкой фазе. Обычно процесс контактно-реактивной пайки ведут в стационарном режиме, во избежание расширения капиллярного зазора и вытекания из него жидкой фазы.

При контактно – реактивной пайке деталей из однородного материала А контактирующий материал В можно применять в виде покрытия, прокладки или в виде смеси порошков (волокон), помещаемых в зазор. Схемы расположения деталей при контактно – реактивной пайке одинаковых материалов следующие: а) через прослойку или покрытие контактно плавящегося металла, ; б) через смесь порошков; в) через прослойку припоя и покрытие; г) через прокладку и покрытие.

Рис.17. Схема сборки под пайку при соединении однородных металлов А.

69

При сборке с использованием смеси порошков время выдержки при температуре пайки не ограничено, поскольку процесс контактно – реактивного плавления автоматически заканчивается после полного использования прослойки из материала В, толщина которой может быть заранее определена.

При малой пластичности образующейся эвтектики А – В она может быть разбавлена припоем Mпр; тогда контактирующий материал В наносят предварительно на паяемые участки материала А или на фольгу припоя. Возможна сборка и контактно – реактивная пайка деталей из материала А при сборке с некапиллярным зазором через прокладку из материала Д, на которую наносять контактирующий металл В; назначение прокладки Д – убрать часть зазора.

При соединении однородных материалов С, не вступающих в контактно – реактивное плавление с материалами А и В, пайка может быть осуществлена с прослойками (или прокладками) или смесью порошков ( или волокон) из материалов, которые могут контактно плавиться (А и В); при сборке с некапиллярным зазором – из контактно плавящихся металлов А и В или смеси порошков из А и В и наполнителя С.

Рис. 18. Схема сборки под пайку при соединении материалов, не способных к контактно – реактивному плавлению

Пайку проводят под небольшим давлением на соединяемые детали, позволяющим фиксировать требуемый зазор. Наносимые контактные покрытия А и В предохраняют поверхности паяемого металла и припоя от окисления при нагреве.

Количество образующейся жидкой фазы можно регулировать изменением времени контакта, толщиной покрытия или прокладок; процесс контактно - реактивного плавления прекращается после расходывания одного из контактирующих материалов.

Паяные швы, образованные эвтектиками, содержащими хрупкие химические соединения, имеют пониженную пластичность и прочность,

70