Мир современных материалов — Припои

Припои «BrazeTec» для пайки меди и медных сплавов

Физико-механические свойства плавящихся присадочных материалов, в частности, температура их плавления, определяются содержанием компонентов, входящих в их состав.

Обычно такие сплавы состоят из нескольких химических элементов, но название композиций определяется по тому элементу, который является основным и превосходит все остальные по содержанию. Например, припои на основе олова называют оловянными.

Существует большое семейство припоев, содержащих значительные удельные доли свинца и олова. Такие паяльные сплавы принято называть оловянно-свинцовыми.

Для них принято буквенное обозначение ПОС, после которого следует цифра, показывающая процентное содержание олова в составе этого припоя.

Компоненты, входящие в состав припоя, оказывают воздействие на физические качества сплава, образуя нечто новое, не присущее каждому из компонентов в отдельности.

При этом наибольшее влияние на результирующие свойства припоя (такие, как температура его плавления) оказывает элемент, имеющий наибольший удельный вес в сплаве.

Так, паяльные сплавы на основе такого легкоплавкого металла, как олово, относятся к низкотемпературным или мягким. Этим подчёркивается связь температуры плавления металла с его механической твёрдостью.

То есть, металлы, которые плавятся при более низкой температуре, являются более мягкими.

Существует множество припоев, которые создаются на основе меди, алюминия, цинка, серебра, золота, платины. Высокотемпературная пайка осуществляется сплавами, в состав которых входят титан, цирконий, молибден и другие металлы.

Припой — металл или сплав, вводимый в зазор между соединяемыми деталями, имеющий более низкую температуру начала плавления, чем основной материал. В качестве припоя используются чистые металлы (фиксированная температура плавления) и их сплавы (интервал температур плавления).

Пайка — сложный физико-химический процесс получения неразъёмного соединения посредством нагрева основной детали и жидкого присадочного материала (припоя). Паяное соединение образуется между припоем и паяемым материалом путём расплавления, смачивания и растекания припоя по поверхности основного материала с последующей его кристаллизацией.

Процесс взаимодействия молекул или атомов жидкости и твердого тела на границе раздела двух сред приводит к эффекту смачивания — это явление, при котором силы притяжения между молекулами расплавленного припоя и молекулами основного металла выше, чем внутренние силы притяжения между молекулами припоя (жидкость «прилипает» к поверхности).

Для качественного соединения металлов припой должен растечься и «смочить» основной металл. Хорошее смачивание происходит только на совершенно чистой, не окисленной поверхности. Для этой цели поверхности подвергают механической очистке и используют флюсы. В тонких зазорах (капиллярах) совместное действие сил поверхностного натяжения и эффекта смачивания выражено сильнее.

Для получения эффекта капиллярности в медных трубопроводах, соединяемых пайкой, используют соединения «внахлест». При соединении трубы и фитинга, между внешним диаметром трубы и внутренним диаметром фитинга остается зазор 0,02…0,25 мм (ГОСТ 19249-73 «Соединения паяные. Основные типы и параметры»).

Данный эффект позволяет припою равномерно и достаточно быстро распространяться по всей поверхности монтажного зазора. При величине зазора не более 0,4мм в коаксиальном соединении, капиллярный эффект создает паяный шов, шириной сравнимый с диаметром трубы. Это дает сверхпрочное соединение.

Наиболее распространенной техникой соединения в медных трубопроводных системах является капиллярная низкотемпературная и высокотемпературная пайка.

Высокотемпературная пайка — это пайка с температурой выше 450°С. Для высокотемпературной пайки применяются припои на основе меди и серебра и ряда других металлов. Поэтому её также часто называют твердой пайкой. Более прочные и тугоплавкие металлы припоя дают паяный шов, лучший по механическим и температурным параметрам. Высокотемпературная (твердая) пайка проходит при температурах 600°С-800°С. Для пайки применяется только газопламенный метод нагрева.

При высокотемпературной пайке происходит отжиг металла и он размягчается. Чтобы потеря прочности была минимальной, охлаждение соединения должно быть естественным — воздушным, а нагрев минимальным, равномерным.

Для высокотемпературной пайки применяют в основном припои: медно-фосфорный (состав Cu 94% P 6%) или медно-фосфорный с серебром (Ag2%,5%,15%) — это твердые припои для пайки меди и ее сплавов. Они обладают высокой жидкотекучестью и самофлюсующимися свойствами. Швы прочные, но недостаточно эластичные в условиях низких температур.

Для получения особых свойств паяного шва могут применяться припои серебряные не содержащие фосфор, которые обладают высокой пластичностью, прочностью. Они обладают повышенной тепло- и электропроводностью и высокой пластичностью, прочностью и коррозионной устойчивостью. Выпускаются в палочках в оболочке из флюса. По сравнению с медно-фосфорными имеют более высокую стоимость.

Стоит воздержаться от использования твердых серебряных припоев с содержанием кадмия (Cd). При пайке, по причине содержания в этих припоях кадмия и цинка, существует опасность щелевой коррозии. Кроме того, припои, содержащие кадмий, во время плавления образуют пары с оксидами кадмия, которые весьма токсичны и могут стать причиной заболеваний.

Данный тип припоев может быть использован для рабочих температур от —55 0С до  150 0С. Припои с содержанием фосфора были специально разработаны для пайки меди и медных сплавов (латуни, бронзы). При пайке медь с медью использовать флюс нет необходимости благодаря содержанию фосфора. Использование этих припоев в атмосфере с содержанием серы не допустимо.

Это особенно актуально для помещений, где проводится вскармливание животных и происходит выделение серы из-за разложения протеинов. Медно-фосфорные припои не применяются для пайки сталей из-за образования хрупкой фосфидной пленки по границе шва, что может привести к нарушению герметичности соединения и утечкам.

Поставляются в виде палочек диаметром 1,5/2,0/3,0 мм и длиной 500 мм.

Медно-фосфористые припои с содержанием серебра до 15% предназначены для пайки в холодильной промышленности и системах кондиционирования. Они имеют сравнительно небольшую температуру плавления, обладают хорошей текучестью при пайке меди и некоторых ее сплавов. Из-за присутствия в составе припоя фосфора не требуется применение флюса.

Паяные швы отличаются значительной прочностью и коррозионной стойкостью. Припои широко используются при монтаже холодильного оборудования, для соединений, испытывающих незначительные вибрационные и ударные нагрузки, при этом с увеличением содержания серебра пластичность увеличивается. При пайке элементов арматуры с нетермостойкими элементами (ТРВ, клапаны, смотровые стекла) требуется охлаждение последних для предотвращения недопустимого перегрева.

S15 содержание серебра 15%. Припой пластичен из-за высокого содержания серебра и пониженного содержания фосфора, прекрасно заполняет зазоры соединений и дает плотные швы. Паяный шов выдерживает умеренные вибрационные и ударные нагрузки.

S5 содержание серебра 5%. Самый популярный припой среди монтажников, пластичен, обладает медленным растеканием, поэтому способен заполнять большие зазоры. Применяется в среднем диапазоне температур. Паяный шов выдерживает небольшие вибрационные и ударные нагрузки.

S2 содержание серебра 2%. Это экономичный припой используется для пайки меди и ее сплавов в соединениях, не испытывающих ударных и вибрационных нагрузок. Имеет среднее растекание.

S94 содержание серебра 0%. Это чисто медно-фосфорный припой, применяемый для пайки меди. При пайке латуни или бронзы используют флюс для предотвращения образования окисного покрытия на основных металлах. Это покрытие препятствует смачиванию и растеканию припоя. При пайке меди и медных соединений, медно-фосфорные припои являются самофлюсующимися.

В холодильной технике большинство европейских производителей автоматики и запорной арматуры рекомендуют применение припоя с содержанием серебра не менее 5 %.

BrazeTec предлагает припои под маркой BrazeTec CoMet (CoMet — покрытый флюсом металл) без содержания кадмия. Флюс, которым покрыт припой, является эквивалентом флюса типа FH10 (стандарт DIN EN1045).

Твердые серебряные припои могут применятся для всех рабочих температур от — 200°С до 200°С. Все припои могут использоваться для любых видов стали, меди и медных сплавов, а также для никеля и никелевых сплавов. При пайке нержавеющей стали в силу содержания в этих припоях цинка, существует опасность щелевой коррозии.Выпускается в виде палочек с центральным диаметром 1,5/2,0 мм, длиной 500мм со стандартной, тонкой или сверхтонкой оболочкой из флюса.

Серебряные припои с флюсом имеют достаточно низкую температуру плавления и хорошо «смачивают» соединяемые поверхности. Они прекрасно заполняют зазоры соединений и дают прочные и эластичные швы — широко применяются при изготовлении и монтаже холодильного оборудования, особенно при пайке соединений, испытывающих значительные вибрационные нагрузки в большом диапазоне рабочих температур, например, при пайке трубопроводов к компрессору.

Классификация

В соответствии с государственным стандартом, существует следующее классификационное деление припоев по температуре их плавления:

• низкотемпературные, их также называют мягкими. Температура плавления этих паяльных сплавов не превышает 450 ℃. В свою очередь, данная категория делится на две подкатегории. Паяльные сплавы, плавящиеся при температуре до 145 ℃ называются особолегкоплавкими, плавящиеся в диапазоне от 145 до 450 ℃ относятся к легкоплавким;
• высокотемпературные или твёрдые. К ним относятся припои с температурой плавления, превышающей 450 ℃. Этот класс сплавов включает в себя три подкатегории. Среднеплавкими считаются те, которые расплавляются при температуре до 1100 ℃, имеющие точку плавления от 1100 до 1850 ℃ называют высокоплавкими. Присадочные материалы, использующиеся при пайке, которые занимают ещё более высокотемпературные позиции, относятся к тугоплавким.

Основная суть процесса пайки заключается в смачивании расплавленным присадочным материалом поверхностей соединяемых деталей, которые сами при этом не расплавляются. Исходя из этого, температура плавления припоев должна быть ниже, чем соответствующая характеристика спаиваемых металлов.

Технические характеристики припоев ПОС и ПОССу

Чтобы не расписывать все технические характеристики припоев оловянно-свинцовой группы, просто приведу таблицу параметров. По ней можно определить температуру плавления, плотность, удельное электросопротивление, теплопроводность, временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, ударную вязкость и твердость по Бринеллю припоев.

Анализ таблицы показывает, что самым легкоплавким среди списка является кадмиевый с характеристикой по температуре плавления 145 градусов Цельсия. Самым прочным является припой для пайки ПОССу 4-6 с временным сопротивлением разрыву 6,5 кгс/кв. мм.

Выбор припойного материала

Одним из главных критериев выбора сплава для создания паяного соединения металлических деталей является температура его плавления.

То есть, присадочный материал должен расплавляться раньше, чем основной. Но это не единственное условие выбора.

Жидкий расплав должен хорошо смачивать поверхность основного металла. Кроме этого, к паяному соединению предъявляются определённые прочностные требования.

Именно по этой причине при пайке какого-либо металлического изделия стараются использовать присадку на основе такого же металла, как металл изделия.

При этом более низкая температура плавления припоя обеспечивается дополнительными компонентами, входящими в его состав.

Правда, следует заметить, что сравнять эти характеристики при пайке не удаётся никогда. То есть, при механических испытаниях на разрушение излом всегда будет происходить в месте соединения.

В некоторых специфических видах пайки прочность соединения играет не главную роль. Например, при пайке ювелирных изделий основной является эстетическая часть работы. Поэтому изделия из золота, серебра и платины паяются только припоями на основе одноимённых металлов, причём той же пробы.

Винтажный припой

Что такое винтажный припой хорошо знают любители Hi-End электроники. Чаще всего, это припой для пайки аудиотехники, произведенный в 30 — 50-хх годах прошлого века. Такие припои имеют высокую чистоту компонентов, что положительно сказывается на звуке наивысшего качества. Чтобы услышать эффект от такого припоя, нужны не только высококачественный источник звука, излучатель звука, но и прекрасный слух. Специалисты и составляют свои сплавы для лучшей звукопередачи.

Одним из самых крутых для меломанов является американский припой фирмы Kester бородатых годов. Его продают по 10 баксов за метр. И с каждым годом его становится все меньше. По химическому составу близок к ПОС-90, но не совсем. Припой марки Kester содержит 85,9 % олова, 8,5 % свинца, 3,28 % серебра, 0,34 % меди, 0,79 % натрия, 0,55 % магния и 0,27 % ртути. Вот уж гремучая смесь.

Те, кто не может достать винтажный припой, выкупают старую электронику послевоенного периода и сплавляют припой оттуда. Так получается очень приличный полуфабрикат.

Существуют также сплав, в которых припой для пайки содержит 50 % олова и 50 % свинца. Он так и называется Sn50Pb50.

Надеюсь, что теперь ты понимаешь больше в теории припоев. Например, чем отличается и в чем разница между припоями ПОС 60 и ПОС 61. Сможешь расшифровать состав припоя ПОС 18 и прикинуть его достоинства и недостатки. Легко ранжируешь припои марки ПОС по токсичности, зная их химические составы.

Хороший видеоролик с обзором и отечественных припоев, в том числе .

Материал собрал и подготовил Мастер Пайки. А какой твой любимый припой из оловянно-свинцовой группы?

Разогрев

В зависимости от температуры плавления используемого присадочного материала, применяются различные методы нагрева при пайке. В случае с мягкими материалами, содержащими олово, цинк, свинец, основным инструментом при пайке может служить обычный паяльник.

В качестве примера можно привести сборку и ремонт электронных схем, содержащих компоненты, критичные к перегреву. В этой ситуации обычно используются свинцово-оловянные материалы, имеющие невысокую температуру плавления и электрические паяльники небольшой мощности.

Механическая прочность соединений играет здесь второстепенную роль, главным является обеспечение надёжного электрического контакта.

Когда речь идёт о пайке высокотемпературными материалами, паяльник оказывается бессильным. В этих случаях нагрев осуществляется посредством газовых горелок и специальных установок, использующих токи высокой частоты.

Это относится к промышленной пайке в условиях производственных цехов и использованию твёрдых припоев.

В отдельных случаях, когда спаиваемые детали очень массивны, и при использовании обычных средств нагрева достичь плавления не удаётся, применяются специальные печи, куда заготовки помещают целиком. Только таким способом обеспечивают надежную пайку.