Пайка чугуна

Основная трудность при пайке чугуна – присутствие графита в структуре чугуна, затрудняющего смачивание. Используют предварительную пескоструйную обработку поверхности с последующим выжиганием графита окислительным пламенем газовой горелки, либо электрохимической обработкой в соляной ванне при 450-510⁰С.

Низкотемпературная пайка выполняется припоем системы Sn-Pb либо другим низкотемпературным. Используется флюс на основе ZnCl₂ с добавлением солей CuCl или SnCl₂. Перед пайкой обязательна обработка флюсом ПВ-209 или ПВ-284Х при 600-700⁰С или электрохимическая обработка в соляной ванне.

Для облегчения пайки низкотемпературным припоем применяют гальваническое лужение или контактное меднение в растворе медного купороса.

Высокотемпературная пайка выполняется припоями на основе меди, (например латунь Л63) и серебряными. Флюсы – ПВ-209, ПВ-284Х, которые растворяют графит на поверхности чугуна.

Серебряные припои используют преимущественно, Т_п900⁰С, чугун не перегревается. Перегрев чугуна приводит к структурным превращениям и при последующем охлаждении к выделению хрупкого цементита. Поэтому применение припоев на основе меди ограничено вследствие высокой температуры пайки.

Припой системы Cu-P для пайки чугуна применять нельзя, поскольку образуются хрупкие фосфиды. Таким образом, пайку чугуна можно выполнять при температуре Т_п  900⁰С, газовой горелкой или паяльной лампой с нейтральным пламенем.

После пайки проводят отжиг при 700-750⁰С в течение t=20 мин для снятия внутренних напряжений. Пайка в печах с контролируемой атмосферой выполняется с добавлением флюса.

Лекция 14 Технология пайки неметаллических материалов. Пайка металлов с неметаллами

Пайка является уникальным и часто единственным способом соединения металлов с неметаллами и неметаллов между собой. В результате взаимодействия неметалла (стекла, керамики, полупроводников, ферритов, графита, алмаза) с металлом (припоем) образуется металло-неметаллический спай.

Пайку металла со стеклом используют при изготовлении разного рода вакуумных приборов (гермовводов, смотровых окон), при изготовлении ламп накаливания (от миниатюрных до мощных генераторных), в производстве крупных зеркал оптических приборов, для облицовки внутренних частей труб нефтепроводов. Соединение кварца с металлом (с нержавеющей сталью, коваром и др.) используют при производстве электрических кварцевых резонаторов. Пайкой можно успешно соединять металлы с полупроводниками, что является значительным её преимуществом перед другими способами соединения, особенно когда необходим контакт на большой площади. Пайку полупроводников применяют при внутреннем монтаже приборов (припайка токоотводов, напайка перехода на кристаллодержатель) и при наружном монтаже - припайка внешних выводов, герметизация.

Соединения графита с графитом и металлами используют в различных конструкциях – в соединениях электродов дуговых печей, крупногабаритных анодов ртутных выпрямителей, нагревателей шахтных печей, высокотемпературных теплообменников, длинномерных нагревателей, лодочек для выплавки металлов, и т.д. Пайка является наиболее технологичным и экономически выгодным методом соединения графитовых материалов, позволяет получать высокопрочные, электропроводные и герметичные соединения.

Соединения графита со сталью используются в узлах крепления графитовых катодов и анодов к токопроводящим медным или алюминиевым шинам металлургических печей и электролизных ванн для выплавки цветных металлов, торцовых уплотнителей, подпятников, радиальных и упорных подшипников аппаратов, работающих в среде жидких углеводородов, теплообменников ядерных реакторов – (графитовые трубы паяют с трубными досками из коррозионно-стойкой стали), в узлах сочленения камер сгорания с металлической арматурой.

Пайку графита с медью используют при производстве щеток электродвигателей, токосъёмных устройств; соединение графита с титаном используется при креплении графитовых узлов торцовых уплотнителей в титановой обойме, и в качестве промежуточного слоя при соединении графита со сталью.

Соединения металлов с оксидными фазами (стеклом, керамикой, ферритами) возможно по следующим трем технологическим схемам:

1. В результате введения расплавленного припоя непосредственно на соединяемую поверхность неметаллического материала. При взаимодействии в процессе пайки расплавов металлов с оксидными системами смачивание окисла припоем и адгезия возрастает с повышением сродства металла к кислороду. Химически активные к кислороду металлы Ti, Zr, Al, Si, Mn хорошо (с малым краевым углом смачивания) смачивают поверхность окислов Al₂O₃, BeO, MgO. Используют серебряные припои, содержащие Ti u Zr (25-50%), которые способны одновременно смачивать поверхность металла и неметалла.

2.Вторая группа технологических процессов соединения металлов с неметаллами (стеклом, керамикой) состоит в том, что на неметаллический материал перед пайкой путём вжигания (серебра или платины), металлизацией, восстановлением окислов или другими способами наносят слой металла. Спай образуется при предварительном покрытии неметалла слоем металла, т.е. при пайке по металлопокрытиям.

Для нанесения металлического слоя стеклянную деталь покрывают суспензией порошка металла или соединений металла, например, хлористой платины или окиси серебра, и нагревают для получения прочно сцепленной со стеклом плёнки металла.

Далее выполняется пайка с использованием припоев системы Sn-Pb, в качестве флюса применяют водный раствор хлористого цинка. Если спай предназначен для работы при высоких температурах, в качестве припоев применяют серебро, медь или сплавы на их основе. Металлическое покрытие в этом случае должно быть особо прочно связано со стеклом. Перед нанесением металлического покрытия стекло следует очистить от загрязнений и оксидных плёнок.

При пайке необходимо избегать перегрева, чтобы металлическая плёнка на стекле не растворилась в припое.

3.Третья технологическая схема соединения металла с неметаллами состоит в применении переходных слоёв из неметаллического материала, спай образуется при использовании легкоплавкого стекла, глазури, эмали, предварительно нанесенных на металл с использованием стеклоприпоев.

В таких соединениях опасность образования трещин уменьшается, т.к. напряжения в спае металл-стекло значительно ниже, чем при пайке без переходного слоя.

Стеклоприпои представляют собой смеси окислов металлов с необходимым коэффициентом температурного расширения. При пайке стеклоприпоем образуется тонкая плёнка окислов, которая способствует хорошему сцеплению припоя с керамикой и металлом.

Для пайки в окислительной атмосфере пригодны припои систем:

SiO₂ – ZnO – B₂O₃ – PbO u V₂O₅ – B₂O₃ – ZnO

При пайке в восстановительной атмосфере стеклоприпои не должны содержать легко восстанавливающихся окислов, поэтому применяют стеклоприпои на основе SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, BaO.

При соединении металла с керамикой используют следующие составы металлизационных паст (% вес):

1) 80Mo, 20Mn; 2) 80Mo, 10Mn, 10TiH₄;

3) 75Mo, 20Mn, 5Si; 4) 75Mo, 20Mn, 5Mo2B4.

5) 75Mo, 20Mn, 5V2O5; 6) 80Mo, 20(MnО-Al₂O₃-SiO₂).

Образование связей между керамикой и металлом (или металлическим покрытием) происходит в результате химических реакций по границе миграции стеклофазы.

В процессе вжигания молибденово-марганцевой пасты (80%Мо, 20%Mn) во влажной азотно-водородной среде (3:1) при температуре 1300⁰С происходит окисление марганца до окиси марганца, вступающей во взаимодействие с керамикой с образованием алюмината марганца MnO · Al₂O₃ (марганцевой шпинели), которая при нагреве находится в размягчённом состоянии. При температуре 1400⁰С, когда начинается заметное спекание частиц молибдена, размягчённая шпинель соединяет металлизированный слой с керамикой.

Активная роль в образовании связей между керамикой и металлом отводится стеклофазе. Стеклофаза является наиболее легкоплавкой составляющей керамики. Кроме окислов алюминия, в её состав входят окислы других металлов, у которых менее прочная связь с атомами кислорода, что способствует более активному смачиванию керамики металлом.

При соединении керамики с металлом возможны все три технологические схемы: непосредственно припоями; по предварительно металлизированному слою; стекло-припоями.

В состав припоев для пайки керамики в качестве активных составляющих вводят титан и цирконий.

При пайке стали 1Х18Н10Т используют припой Ti(50%) + Cu(50%); T=980⁰С, выдержка 5 мин; пайка в вакууме 0,0001мм рт.ст.

Пайка керамики с коваром (Н29К17) осуществляется по следующим технологическим схемам:

1. при применении припоя состава Ti(50) +Cu(50) (Т_п=1108⁰С; в вакууме 0,0001мм рт. ст., выдержка 5мин);

2. по предварительно металлизированному покрытию после обработки Mo-Mn - пастой припоями состава Ti(50)-Cu(50) и ПМ-17 при Т_п=980-1000⁰С, в спае наблюдается ряд переходных слоёв с различной микротвердостью.

Расплавленные стёкла хорошо смачивают все металлы, на поверхности которых адсорбирован слой окисла и нагрев производится при соответствующей температуре. Образование прочного соединения между металлом и стеклом зависит от напряжений в зоне спая, наличия газовых пузырей, процесса расстекловывания стекла.

Спаи между металлом и стеклом могут быть согласованными и несогласованными.

Согласованные – образуются между стеклом и металлом с одинаковыми или близкими значениями ТКЛР во всём интервале температур от 20⁰С до температуры пайки.

Несогласованные образуются между стеклом и металлом с резко различными ТКЛР. Обеспечение прочности в этом случае достигается конструкторскими решениями металлической детали, которая должна свободно деформироваться вслед за деформацией стекла.

При выборе металла для соединения со стеклом учитывают, помимо значимой ТКЛР (в зависимости от типа спая и его конструкции) – другие его свойства – температуру выделения газов, обрабатываемость резаньем и давлением, возможность сварки и пайки, аллотропические изменения.

Необходимость обеспечения постоянных электрических параметров в приборах как условие их надёжности и долговечности выдвигает требование к структуре металлов в рабочем интервале температур.

В промышленности возникает необходимость создавать паяные соединения со стеклом металлов:

Cu, Ni, Fe, Pd, Pt, Ti, Ta, Zr, Mo, W,

сплавов: 50Н, 54Н, 47НД, 42Н, 48Н, Н42Х4, 29НК;

стали 12Х18Н10Т.

Используют газовый нагрев, индукционный, в печах, сопротивлением.

Газовый нагрев применяют для бусинковых и ленточных спаев, для изготовления гребешковых и плоских ножек. Пайку выполняют при радиационном нагреве в печи с помощью простых приспособлений, или на универсальных горизонтально-сварочных станках для стеклодувных работ.

Индукционный нагрев – для изготовления рантовых, дисковых соединений.

Для сплавления металла со стеклом слой стеклянной пасты наносят на поверхность металла для предотвращения его чрезмерного окисления, нагрев производят в муфельных, тунельных и конвейерных печах.

Печной нагрев целесообразен для пайки деталей простой конфигурации – глазковых, окошечных спаев, плоских ножек.

Нагрев стекла при пайке сопротивлением осуществляется за счёт теплопроводности металла, нагретого при прохождении через него тока.

При использовании эмали на соединяемые детали наносят слой эмалевой пасты и место соединения нагревают до температуры её плавления.

При таком соединении уменьшаются внутренние напряжения, чрезмерное окисление металла. Так получают разъёмные вакуум-плотные соединения. После соединения стекла с металлом производят отжиг для снижения внутренних напряжений, режим выбирают с учётом ТКЛР соединяемого материала и конфигурации спая.

Соединение кварца с металлом (например, при производстве электрических кварцевых резонаторов) возможно в соответствии с двумя схемами:

1) возможна пайка кварца непосредственно с металлом Ti, Zr припоем ПСр72 – спаи получаются прочные и термостойкие.

Активный металл можно применять в качестве присадки к припою, например при пайке кварца со сплавом 29НК (ковар) припоем ПСр72. Для этого поверхность кварца покрывают гидридом титана, образующим в вакууме чистый титан. Для соединения кварца со сплавом 29НК используют припой системы Ag-Cu эвтектического состава. Получают вакуумно-плотные спаи. При изготовлении ненапряжённого спая кварца с металлом используют припои системы Sn-Ti или Pb-Ti .

Пайка кварца с металлом - с нержавеющей сталью, коваром и др. производится при использовании припоев, содержащих титан, обеспечивающих наилучшее смачивание кварца вследствие образования химических комплексов на границе раздела.

Используются припои: 1) Zn, 2)50%Pb, 50%In, 3)92,5%Pb, 5%In, 2,5%Ag.

Особое внимание при пайке кварца с металлами следует обращать на выбор величины зазора, т.к. толщина прослойки припоя определит затем величину остаточных напряжений.

Наиболее резко падает прочность соединения с увеличением зазора при применении свинцовых припоев, содержащих серебро. Внутренние напряжения в спае кварца с металлом (до 60%) можно снизить термообработкой.

Галлиевые припои, содержащие кадмий, олово, медь, используют для пайки кварца.

На поверхность наносят слой Ti или Zn, пайка производится припоями, содержащие легкоплавкий металл – Sn, In, Ga.

Следующий вариант: на поверхность наносят плёнку меди, никеля, серебра (гальванически, металлизацией, выжиганием), пайку производят малооловянистым припоем с применением канифольного флюса.

Ферриты – неметаллические твёрдые магнитные материалы – соединение окислов переходных металлов с окисью железа. Иттриевые и гадолиниевые ферриты паяют с титаном, 29НК, 47НД, в среде очищенного Ar или вакууме 0,00001 кПа V_нагр.=20⁰С/мин, более быстрый нагрев не допустим.

Пайка выполняется по металлизированной Ni поверхности феррита, либо без предварительно нанесенного покрытия: 30СЧ – 2(покр. Nb) + Ti; припой ПСр 72; температура пайки Т_п=780⁰С; t=1мин; 30Сч –(покр. Ni) + 47НД; припой ПСр 72;температура пайки Т=780⁰С; t=1мин; 30СЧ – 6 + ВТ1; припой ПСр72; температура пайки Т_п=880⁰С; с термоциклированием Т_п=820-800⁰С –10 циклов.

Пайка полупроводников. Пайкой можно успешно соединять металлы с полупроводниками, что является значительным её преимуществом перед другими способами соединения, особенно когда необходим контакт на большой площади.

В качестве припоев применяют зонноочищенный алюминий, силумин эвтектического состава и сплав состава 97%Ag, 2%Pb, 1%Sb. Пайку ведут в вакууме при остаточном давлении 50,0001мм рт. ст.

Механизм взаимодействия припоя с монокристаллическим кремнием носит локальный, дислокационный характер. Взаимодействие начинается в местах выхода на поверхность физических микродефектов, образующих активные центры. После стравливания припоя на кремниевых пластинах можно видеть фигуры взаимодействия в виде равносторонних треугольников, ориентация и характер расположения которых соответствует дислокациям, выявляемым металлографическим методом.

Активное взаимодействие в контакте полупроводник – расплав припоя начинается при температуре плавления эвтектики металл – полупроводник. В процессе взаимодействия отдельные треугольники объединяются, образуя спай по всей плоскости контакта полупроводника с металлом.

Температура пайки зависит от физико-химических свойств полупроводника и металла и определяется экспериментально. Для системы алюминий-кремний и серебро-кремний она соответственно равна 800⁰С и 860⁰С. С повышением температуры растёт скорость растворения и, кроме того, могут наступить необратимые изменения физических свойств полупроводника.

Пайку полупроводников используют при внутреннем монтаже приборов – припайка токоотводов, напайка перехода на кристаллодержатель, и при наружном монтаже - припайка внешних выводов, герметизация.

При пайке полупроводниковых материалов припои должны образовывать электронно-дырочный переход или невыпрямляющий омический контакт. При производстве германиевых и кремниевых приборов в качестве основы припоев применяют Al, In и сплавы на основе Sn-Pb. Для создания в месте контакта проводимости электронного типа в основу припоя в качестве примесей вводят P, As, Sb, Bi. Для обеспечения невыпрямляющего омического контакта в основу припоя добавляют B u Ga.

При создании электронно-дырочных переходов и омических контактов на интерметаллических соединениях применяют Sn, Bi, Sb, Zn, Cd.

Состав припоев влияет на электрические параметры паяемых приборов, поэтому при выборе припоев учитывают их электрические свойства – (электропроводность) и ТКЛР.

Низкотемпературная пайка. Для низкотемпературной пайки германия и кремния используют припои: 1) Bi 50,1; Pb 24; Sn 14,2; Cd 10,8; T_п=65⁰С;

2) Bi 52; Pb 40; Cd 8; T_п=91,5⁰С; 3) Bi 56; Pb 44; T_п=125⁰С;

1. Pb 36; Sn 64; T_п=181⁰С.

Высокотемпературная пайка: для высокотемпературной пайки используют припой (% вес) 1) Pb 63; Sn 35; Sb 1,5; T_п=720⁰С, t=12-13мин.

2) припой Pb 97; Sb 15; Ni 15; T_п=720-730C, t=15мин. (флюс)

3. Ag 97; Pb 2; Sb 1 вакуум 60,01Па (при изготовлении кремниевых вентилей);

4. Контактно-реактивная пайка (кремний – интегральные схемы): припои – золото; температура пайки - Т_п=420⁰С.

5. Паяемый материал - арсенид галлия + никель и кремний + никель; припой Ga39; Sn 4,4; Cu(порошок)-56, Т_п=100⁰С ;лазерная пайка.

6. Кремний КЭФ – ковар 29НК, припой-стекло С48-1,

пайка в 2 этапа: 1) стекло с коваром Т_п=980⁰С , t=10 мин.; защитная среда - Ar;

2)Стекло-ковар узел+кремний Т_п=400-450⁰С; t=20-25мин, защитная среда - Ar.

В качестве флюса используют спиртовые и водные растворы хлористого цинка и хлористого аммония или раствор канифоли в спирте.

Паяемость полупроводников на основе растворов халькогенидов (сплавы сульфидов, селенидов, теллуридов) сурьмы и висмута зависит от способа производства полупроводников – экструзия, прессование, зонная плавка; технологии подготовки поверхности, состава припоя и режима пайки.

Диффузионные процессы между припоем и полупроводником способствуют образованию соединений, увеличивающих переходное сопротивление термоэлемента, поэтому время контакта полупроводника с припоем в процессе лужения и пайки и отклонение от температуры нагрева при пайке должно быть предельно ограниченным. Изделие предварительно облуживают в растворе припоя в ультразвуковой ванне, либо наносят гальваническое покрытие (никелирование, золочение).

Пайку производят в печах с контролируемой атмосферой (нейтральной, восстановительной), вакууме или методом сопротивления предварительно облуженных поверхностей. Следует строго выдерживать температуру нагрева – (используются терморегуляторы).

Пайку тонких электрических выводов можно выполнять на воздухе микропаяльниками с использованием флюсов (спиртовый раствор канифоли, флюс на основе NH₄Cl, ZnCl₂). После пайки – промывка и сушка.

При облуживании вручную используют паяльник с никелевым наконечником, применение медного наконечника недопустимо, т.к. при взаимодействии полупроводника с медью образуются соединения теллура с высоким электросопротивлением.

Механизированное облуживание производится погружением детали (в кассете) в расплав припоя с одновременной активизацией поверхности механическим способом или ультразвуком.

Технология пайки полупроводников при изготовлении теплообменников определяется материалом, используемые для изготовления теплообменника (медь или алюминий). Пайку производят по облуженной поверхности.

При облуживании меди применяют те же флюсы и припои, что и при облуживании полупроводников, при облуживании алюминия в качестве припоя для первого слоя (ультразвуковое лужение) применяют припои на основе цинка, для последующих слоёв – припои, используемые в качестве поверхностных слоёв для лужения полупроводников. В качестве примеров приводятся следующие:

1. А1 + ПВОХ1 или ПВЭХ1припой 88,5Zn + 7Al + 4Cu + 0,5Co) + (54Bi + 42Sn + 4Sb): двуслойное лужение при Т=420⁰С, лужение в течение t=5с ультразвуковое; при Т=170…210⁰С, t=2-5с, флюс №2

2. 54Bi + 42Sn + 4Sb – температура Т=170-210⁰С, t=2-5c ,флюс №1

3. 88,5Zn + 7Sn + 4Cu + 0,5Co) + 58Bi + 42Sn (двухслойное лужение Т=420⁰С, t=2-5с, ультразвуковое; Т=200⁰С, t=2-5с, флюс №2.

Медь + ПВДХ1 или ПВЭХ1 припой:

1. 54Bi + 42Sn + 4Sb (однослойное лужение), Т=170⁰С, t=2-5с, флюс №1

2. 58Bi + 42Sn, T=300⁰С, t=2-5c, флюс №2

флюс №1 – состав, вес.% :ZnCl₂-35, хлористый аммоний -16, хлористый кобальт - 14;

флюс №2 :состав, вес.% - хлористый аммоний + глицерин (50+50), Т_акт=17⁰С.

Пайка графита. Графитовые соединения получают капиллярной – контактно-реактивной, диффузионной пайкой и некапиллярной – пайкосваркой.

Графит удовлетворительно смачивается тугоплавкими металлами Ni, Zr, Si, Hf, V, Nb, W, Mo, металлами группы Fe, Al, Si, B.

Основные виды взаимодействия графита с металлами: