Глава 7. Пайка материалов

Лекция 19. Сущность процесса и материалы для пайки

Пайкой называют процесс получения неразъемного соединения загото-

вок без их расплавления путем смачивания поверхностей жидким припоем с

последующей его кристаллизацией. Образование соединения без расплавления

основного металла обеспечивает при необходимости возможность распая со-

единения.

По прочности паяные соединения уступают сварным. Паять можно угле-

родистые и легированные стали всех марок, твердые сплавы, цветные металлы,

серые и ковкие чугуны. При пайке металлы соединяются в результате смачива-

ния, растекания жидкого припоя по нагретым поверхностям и затвердевания

его после охлаждения. Прочность сцепления припоя с соединяемыми по-

верхностями зависит от физико-химических и диффузионных процес-

сов, протекающих между припоем и основным металлом, и, как правило, оп-

ределяется прочностными характеристиками припоя.

По условиям заполнения зазора пайку можно разделить на капиллярную

и некапиллярную. При капиллярной пайке припой заполняет зазор между

соединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных

сил. Соединение образуется в результате растворения основы в жидком

припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку

используют при соединении внахлестку. По механизму образования шва ее

подразделяют на диффузионную, контактно-реактивную, реактивно-

флюсовую.

При диффузионной пайке соединение образуется за счет взаимной диф-

фузии компонентов припоя и паяемых материалов, причем возможно обра-

зование в шве твердого раствора или тугоплавких хрупких интерметалли-

дов. Для диффузионной пайки необходима продолжительная выдержка при

температуре образования паяного шва и после завершения процесса при тем-

пературе ниже солидуса припоя.

При контактно-реактивной пайке между соединяемыми металлами или

соединяемыми металлами и прослойкой промежуточного металла в резуль-

тате контактного плавления образуется сплав, заполняет зазор и при

кристаллизации образует паяное соединение.

При реактивно-флюсовой пайке припой образуется за счет реакции

вытесненияния между металлом (основным) и флюсом. Например, при пайке

алюминия флюсом восстановленный цинк служит припоем Реактивно-

флюсовую пайку можно вести без припоя и с припоем. К некапиллярным

способам относятся пайка-сварка и сварка-пайка. При пайке-сварке соеди-

нения образуются так же, как и при сварке плавлением, но в качестве

присадочного металла применяют припой .При сварке-пайке соединяют

разнородные материалы с применением местного нагрева. Более легкоплав-

кий материал при достижении температуры плавления выполняет роль при- 129

поя. Наибольшее применение получили капиллярные способы пайки и пайка-

сварка. Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надеж-

ность и др.) зависит от правильного выбора основного металла, припоя,

флюса, способа нагрева, зазоров, типа соединения.

Припой должен хорошо растворять основной металл, обладать смачи-

вающей способностью, быть дешевым и недефицитным, припои представля-

ют собой плавы цветных металлов сложного состава. Все припои по темпера-

туре плавления подразделяют на особолегкоплавкие (температура плавления

< 145 °С), легкие (145 – 450°С), среднеплавкие (450– 1100° С) и тугоплавкие (>

1050 °С). К особоплавким и легкоплавким припоям относятся оловянно-

свинцовые на основе индия, кадмия, цинка, олова, к среднеплавким и высоко-

плавким припоям относятся медные, медно-цинковые, медно-никелевые, с

благородными металлами (серебром, золотом, платиной). Припои изготовля-

ют в виде прутков проволок, листов, полос, спиралей, дисков, колец, зерен и

др., укладываемых в место соединения.

Изделия из алюминия и его сплавов паяют с припоями на алюминиевой

основе с кремнием, медью, оловом и другими металлами. Магний и его сплавы

паяют припоями на основе магния с добавками алюминия, меди, марганца и

цинка. Изделия из коррозионно-стойких сталей и жаропрочных сплавов, рабо-

тающих при высоких температурах (свыше 500 °С), паяют тугоплавкими при-

поями на основе железа, марганца, никеля, кобальта, титана, циркония, гаф-

ния, ниобия и палладия.

Флюсы паяльные применяют для очистки поверхности паяемого мате-

риала, а также для снижения поверхностного натяжения и улучшения расте-

кания и смачиваемости жидкого припоя. Флюс (кроме реактивно-флюсовой

пайки) не должен химически взаимодействовать с припоем. Температура

плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюс

в расплавленном я газообразном состояниях должен способствовать смачи-

ванию поверхности основного металла расплавленным припоем. Флюсы мо-

гут быть твердые, пастообразные и жидкие.

Способы пайки. При пайке в печах соединяемые заготовки нагревают в

специальных печах: элекросопротивления, с индукционным нагревом, газо-

пламенных и газовых. Припой заранее закладывают в шов собранного узла,

на место пайки наносят флюс и затем изделие помещают в печь, где его на-

гревают до температуры пайки. Припой расплавляется и заполняет зазоры

между соединяемыми заготовками. Процесс пайки продолжается несколько

часов. Этот способ обеспечивает равномерный нагрев соединяемых дета-

лей без заметной их деформации.

При индукционной пайке паяемый участок нагревают в индукторе.

Через индуктор пропускают ТВЧ, в результате чего место пайки нагрева-

ется до необходимой температуры. Для предохранения от окисления изде-

лие нагревают в вакууме или в защитной среде с применением флюсов. Ин-

дуктор выполнен в виде петли или спирали из красной меди. Формы и

размеры индуктора зависят от конструкции паяемого изделия. 130

Пайку погружением выполняют в ваннах с расплавленными солями или

припоями. Соляная смесь обычно состоит из 55 % КС1 и 45 % НС1. Темпе-

ратура ванны 700– 800 °С. На паяемую поверхность, предварительно очи-

щенную от грязи и жира, наносят флюс, между кромками или около места

соединения размещают припой, затем детали скрепляют и погружают в

ванну. Соляная ванна предохраняет место пайки от окисления. Перед по-

гружением в ванну с расплавленным припоем покрытые флюсом детали

нагревают до температуры 550 °С. Поверхности, не подлежащие пайке,

предохраняют от контакта с припоем специальной обмазкой из графита с

добавками небольшого количества извести. Пайку погружением в рас-

плавленный припой используют для стальных, медных и алюминиевых

сплавов, деталей сложных геометрических форм. На этот процесс расходуется

большое количество припоя. При газопламенной пайке заготовки нагревают, и

припой расплавляют газосварочными, плазменными горелками и паяльными

лампами. При пайке газосварочными горелками в качестве горючих газов ис-

пользуют ацетилен, природные газы, водород, пары керосина и т.п. При ис-

пользовании газового пламени припой можно заранее помешать у места пай-

ки или вводить в процессе пайки вручную. На место пайки предварительно

наносят флюс в виде жидкой пасты, разведенной водой или спиртом; конец

прутка припоя также покрывают флюсом.

Плазменной горелкой, обеспечивающей более высокую температуру

нагрева, паяют тугоплавкие металлы – вольфрам, тантал, молибден, ниобий и

т. п. При пайке паяльниками основной металл нагревают и припой рас-

плавляют за счет теплоты, аккумулированной в массе металла паяльника, ко-

торый перед пайкой или в процессе ее подогревают. Для низ- котем-

пературной пайки применяют паяльники с периодическим нагревом, с не-

прерывным нагревом и ультразвуковые. Рабочую часть паяльника вы-

полняют из красной меди. Паяльник с периодическим нагревом в про-

цессе работы периодически подогревают посторонним источником тепло-

ты. Паяльники с постоянным нагревом делают электрические. Паяльни-

ки с периодическим и непрерывным нагревом чаще используют для флюсо-

вой пайки черных и цветных металлов легкоплавкими припоями с темпера-

турой плавления ниже 300– 350 °С.

Ультразвуковые паяльники применяют для бесфлюсовой пайки на

воздухе и пайки алюминия. Оксидные пленки разрушаются за счет ко-

лебаний ультразвуковой частоты. На рисунке 37 показаны основные типы

паяных соединений: внахлестку (а), встык (б), вскос (в), втавр (г), в угол (д),

соприкасающиеся (е), Зазор между соединяемыми кромками должен быть

малым для того, чтобы улучшить затекание припоя под действием капил-

лярных сил и увеличить прочность соединения. 131

а б в г д е

Рис.37 . Типы паяных соединений

Так, для серебряных припоев устанавливают зазор до 0,05 мм, а для

меди до 0,012 мм. Для хорошего смачивания поверхности необходимы ме-

ханическая очистка, обезжиривание горячей щелочью, трихлорэтиленом,

четыреххлористым углеродом.

Лекция 20. Восстановление и упрочнение деталей наплавкой

Наплавочные работы широко применяют при восстановлении изношен-

ных деталей. Применение наплавки рабочих поверхностей позволяет не только

восстановить размеры детали, но и повысить их долговечность и износостой-

кость путем нанесения металла соответствующих химического состава и физи-

комеханических свойств.

Сущность процесса наплавки состоит в том, что одним из источников на-

грева (присадочный металл) расплавляется и переносится на наплавляемую по-

верхность. При этом расплавляется металл поверхностного слоя основного ме-

талла, и вместе с расплавленным присадочным металлом образует слой наплав-

ленного металла.

Одним из важных параметров процесса наплавки является глубина про-

плавления основного металла: чем меньше глубина проникновения, тем мень-

ше доля основного металла в наплавленном. Химический состав наплавленного

металла будет ближе к присадочному. Обычно химический состав присадочно-

го металла и металла наплавки выравнивается во втором-третьем слое.

На глубине проплавления располагается переходная зона от основного ме-

талла к наплавленному. Эта зона считается наиболее опасной, с точки зрения

разрушения металла. Металл переходной зоны охрупчен из-за большой скоро-

сти охлаждения металла шва, имеет повышенную склонность к образованию

холодных трещин по причине большой неоднородности химического состава

металла и соответственно большой разности коэффициентов линейного расши-

рения. Отсюда следует, что чем больше глубина проплавления, тем больше зо-

на ослабленного участка и тем ниже прочность детали. И, наоборот, чем мень-

ше глубина проплавления, тем в меньшей мере теряется прочность детали. Ме-

талл наплавки по химическому составу приближается к присадочному, при

этом отпадает необходимость в наложении второго слоя.

Исходя из изложенного, выбор оборудования для наплавки, режимов и

технологии должен проводиться из условия обеспечения минимальной глубины

проплавления основного металла.

При толщине наплавленного слоя больше 5 мм наплавку желательно вес-

ти в два слоя для уменьшения глубины проплавления. 132

Выбор режимов наплавки зависит от толщины наплавленного слоя.

Выбор наплавочных материалов производится исходя из требований,

предъявляемых металлу трущихся поверхностей в зависимости от вида изна-

шивания. Например, для условий абразивного изнашивания требуется высокая

твёрдость наплавленного металла, которая обеспечивается использованием на-

плавочных материалов с повышенным содержанием углерода, хрома, марганца,

вольфрама.

Для условий коррозийного изнашивания коррозионностойкость достига-

ется легированием металла хромом в количестве больше 12% (нержавеющие

стали).

Выполнение наплавочных работ осуществляется различными способами,

основными из которых являются ручная дуговая наплавка, автоматическая ду-

говая наплавка под флюсом, наплавка в среде углекислого газа, вибродуговая,

плазменная и газовая наплавка.

Ручная дуговая наплавка применяется при индивидуальном способе

выполнения ремонтных работ.

Для восстановления деталей типа валов, работающих при нормальных

условиях, рекомендуются электроды 03Н 400, обеспечивающие твёрдость НВ

375– 425 без термической обработки.

Наплавка деталей, работающих при коррозионном изнашивании, выпол-

няется электродами ЦН-6М, химический состав наплавленного металла 08Х17

Н8 С6 Г или ЦН5(24ХI2).

Для деталей, работающих в условиях абразивного износа, рекомендуются

электроды Т 590 (Э320Х25 С2ГР).

Режимы наплавки указываются на пачках электродов.

Для наплавки могут применяться и сварочные электроды, но механиче-

ские свойства наплавленного металла низкие.

Автоматическая наплавка под флюсом рекомендуется при большом объ-

еме ремонтных работ.

Сущность процесса наплавки состоит в том, что дуга горит под слоем

флюса. Под действием тепла дуги расплавляются электродная проволока, ос-

новной металл и часть флюса. Расплавленный металл электрода переносится

на основной, образуя слой наплавленного металла. Перенос происходит в зоне

расплавленного флюса, который надежно защищает жидкий металл от контакта

с воздухом.

Наплавка в среде углекислого газа довольно широко применяется для вос-

становления размеров изношенных деталей.

Сущность процесса состоит в том, что сварочная дуга горит в среде угле-

кислого газа, который предохраняет расплавленный металл от контакта с воз-

духом.

Вибродуговая наплавка. Сущность способа вибродуговой наплавки состо-

ит в том, что электродной проволоке при движении в зону дуги придаются до-

полнительные продольные колебания большой частоты. Такие колебания обес-

печивают более высокую стабильность горения дуги и позволяют значительно

снизить параметры режима наплавки (силу сварочного тока и напряжения) по

сравнению с наплавкой в среде углекислого газа. На этом принципе разработа-

ны многие конструкции наплавочных автоматов. 133

Плазменная наплавка. Сущность плазменной наплавки состоит в расплав-

лении присадочного металла струей плазмы и перенесении его на основной ме-

талл. Плазма представляет собой направленный поток ионизированных частиц

газа, имеющего температуру (10 – 30)ْ С. Получают плазму в специальных уст-

ройствах – плазмотронах при пропускании газа через столб электрической дуги.

Для осуществления процесса наплавки электродную проволоку подают в

зону плазменной дуги, металл электрода плавится и переносится на деталь.

Для прекращения процесса наплавки плазмотрон отрывают от детали, ос-

новная дуга гаснет, но продолжает гореть дежурная дуга.

В качестве наплавляемого материала могут использоваться не только по-

рошки металлов, но и неметаллов (керамический порошок). Это позволяет на-

нести керамику на металлы.

Газовая наплавка деталей. Газовая наплавка применяется сравнительно

редко, в основном при индивидуальном способе выполнения ремонтных работ,

из-за трудности механизации процесса.

Плавление металла осуществляется газовым пламенем, образующимся

при сгорании кислорода в среде ацетилена. Температура пламени в зоне ядра

составляет 3100– 3200ْ С.

Защита расплавляемого металла от окисления осуществляется самим га-

зовым пламенем и флюсами. В качестве флюса используют буру или смесь бу-

ры и борной кислоты.

В качестве присадочного металла при газовой наплавке используют

прутки того же состава, что и основной металл.

Режим наплавки определяется мощностью газовой горелки, т. е. расхо-

дом ацетилена. Мощность зависит от толщины направляемого слоя.

Газовая наплавка чаще всего применяется для заплавления дефектов на

корпусных деталях.

При наплавке на чугунные изделия в качестве наплавочных материалов

используют чугунные прутки примерно того же состава. Процесс выполняется

науглероженным пламенем, т. е. с большим расходом ацетилена.

При наплавке металла на алюминиевые изделия присадочным материа-

лом служат алюминиевые прутки.

Металлизация и газотермическое напыление. Металлизация заключа-

ется в нанесении металлического покрытия на поверхность методом осаждения

на ней жидкого металла, распыляемого газовой струей. При подаче металличе-

ской проволоки к источнику нагрева происходит ее разогрев до расплавления, и

жидкий металл под давлением газовой струи вылетает с большой скоростью из

сопла металлизатора в виде распыленных капель, которые ударяются о поверх-

ность детали и, соединяясь с ней, образуют слой покрытия.

В зависимости от используемого источника теплоты различают металли-

зацию дуговую, газовую, плазменную и ТВЧ. При дуговой металлизации ис-

пользуют специальные металлизационные аппараты Для металлизации

применяют проволоки медные, алюминевые, стальные и цинковые, а также

неметаллические материалы в виде порошков (стекла, эмали, пластмасс).

Метализационный слой состоит из мелких поверхностно окисленных части-

чек металла и имеет меньшие прочность и плотность по сравнению с наплав- 134

ленным слоем. Металлизацию применяют для защиты от изнашивания, кор-

розии таких изделий, как цистерны, бензобаки, мосты, изнашивающиеся

части валов, деталей машин и т.п., а также в декоративных целях. Дуговая

металлизация – высокопроизводительный процесс, обеспечивает хорошее

соединение покрытия с основным металлом. Недостатками его являются воз-

можность перегрева и окисления наплавляемого материала и выгорание из

него легирующих компонентов.

Газотермическое – плазменное напыление в зависимости от вида

напыляемого материала (порошок или проволока) может производиться

плазменной струей или плазменной дугой. В первом случае в зону плазмен-

ной струи под давлением транспортирующего газа подают материал в виде

порошка, во втором используют проволочный материал.

Преимуществами плазменного напыления являются возможность при-

менения широкого спектра материалов и проведение процесса, как в атмо-

сфере, так и в защитных камерах. Недостатками является высокая стои-

мость способа, относительно низкая производительность, высокий уровень

шума.