Особенности металла
В природе постоянно присутствует 10 стабильных изотопов олова. Это большое количество. У других химических элементов количество стабильных изотопов несравнимо меньше. У атомов железа, например, существует 4 изотопа.
Напомним, что изотопами называются разновидности атомов, имеющих различное количество нейтронов в ядре, следовательно, различную атомную массу. Свойства изотопов подобны, тем не менее, они имеют некоторые отличия.
Он имеет несколько кристаллических модификаций (кубическую, тетрагональную и ромбическую):
- Первая форма обозначается буквой α, называется серым оловом. Максимальная температура существования 14 ℃, свыше которой происходит процесс преобразования в следующую форму.
- Вторая форма обозначается буквой β, называется белым оловом. Максимальная температура существования 173 ℃, свыше которой происходит процесс преобразования в последнюю форму.
- Третья форма обозначается буквой γ, имеет температуру плавления почти 232 ℃.
При понижении температуры все преобразования медленно осуществляются в обратном порядке.
Виды оловянных припоев, свойства и характеристики
По химическому составу сплава выделяют сурьмянистые припои, припои с малым количеством сурьмы (малосурьмянистые), сплавы без сурьмы (бессурьмянистые). Все вышеперечисленные виды припоев производят по ГОСТ 21931-76 (в изделиях), ГОСТ 21930-76 (чушки).
— оловянно-свинцовые (в сокращении ПОС);
— сурьмянистые (сокращенно ПОССу);
— оловянно-свинцово-кадмиевые (сокращенно ПОСК);
— бессвинцовые.
Последние легируют медью, серебром, цинком, алюминием, кадмием.
Оловянные припои ПОС (сплавы оловянно-свинцовые), имеющие процентный состав олова от 10% до 90%, относятся к мягким припоям.
ПОС-15 (олово 15%) — 280 °C.
ПОС-25 (25%) — 260 °C.
ПОС-35 (33%) — 247 °C.
ПОС-61, ПОС 63 (олово 61% и 63%) — 183 °C
ПОС-90 (олово 90%) — 220 °C
В силу того, что состав сплавов ПОС-61 и ПОС-63 практически идентичен составу эвтектики «олово свинец», они расплавляются при постоянной температуре 183 °C.
— ПОССу – используется для пайки изделий из цинка, оцинкованного металла, при высоких требованиях к паяному соединению (припои сурьмянистые);
— ОЦ — для соединения изделий из алюминия (припои оловянно-цинковые);
— ПОСК — для соединения изделий, реагирующих на перегрев, пьезокерамики, выводов конденсаторов (оловянно-свинцово-кадмиевые);
— припои без свинца, которые кроме олова включают в состав серебро, медь, висмут и другие металлы.
Припоем называют сплав, состоящий из легкоплавких металлов. Например, оловянный. Но паять одним оловом — довольно дорого. С чистым оловом работают только тогда, когда нужно получить абсолютно безвредный для человека спай: при пайке посуды для употребления пищи или медицинского оборудования. В остальных случаях, для удешевления припоя, к олову добавляют более дешевый, но вредный свинец.
Для справки: поверхность припоя тем темнее, чем больше в нем свинца. А пруток из чистого олова при сгибе или сжатии издает характерный хруст.
— прочность в сочетании с пластичностью;
— высокий коэффициент теплопроводности;
— устойчивость к коррозии.
Оловянные припои используют для соединения деталей практически из всех металлов, и чем больше в составе припоя чистого олова — тем качественнее будет полученное соединение. Преимущество ПОС — его универсальность. Мягкие припои эксплуатируют в виде палочек (прутков), реже используют проволоку или пасту (смесь припоя с флюсующим веществом). Чем больше в сплаве олова, тем крепче соединение деталей при пайке.
Данный вид оловянного проката не используют для спайки алюминия. Прочие металлы, в том числе медь, железо, хорошо поддаются пайке ПОС. Спай — самое уязвимое место соединения «металл — припой — металл». Прочность спая зависит от химического состава используемого припоя. Сопротивление на разрыв места спайки равно 6-8 кг/мм2, увеличивается пропорционально увеличению количества олова.
Рассмотрим некоторые особенности использования цинка и сурьмы в качестве добавок к припою при пайке определенных металлов. Добавление цинка при работе с алюминием и сплавами из этого металла увеличивает коррозийную стойкость спайки. Такие ЦО припои, содержащие от 10% до 40% цинка, используют для ультразвукового или абразивного метода пайки, лужения.
При соединении меди добавление к составу сурьмы увеличивает прочность спая. При пайке латуни сурьма — не влияет на прочность спая. А железа — уменьшает прочность спая.
— пруток с содержанием олова выше 60% ярко блестит (возможно, это ПОС-90, ПОС-61);
— материал, в котором много свинца — темного серого цвета, матовый;
— пруток со значительным содержанием свинца пластичный (до 60%), его легко деформировать (ПОС-40, ПОС-30);
— пруток, где много олова, прочный и жесткий. Его нельзя согнуть руками;
— ПОС различных марок плавятся при температуре от 183 °C до 265 °C.
Для маркировки оловянных припоев используются буквы русского алфавита и цифры. Пример: ПОС-61, который еще именуют «третник» из-за содержания в нем 1/3 Pb. Буквы: П — это припой, О — оловянный, С — свинцовый. Число 61 — процент содержания Sn.
Рассмотрим наиболее востребованные марки оловянных припоев.
ПОС 90
Применяется для пайки таких металлов, как латунь, медь, сталь, бронза. Химический состав: 9 – 11% Pb и 89 – 91% Sn. Плавиться в интервале температур 183 – 220 ºС. Характеризуется высокой теплопроводностью, пластичностью, имеет выраженный металлический блеск. Также изделию присущ высокий коэффициент ударно вязкости, хорошо сопротивляется разрывам.
ПОС 90 – востребованное изделие. Элементы, соединенные данным оловянным припоем, можно в дальнейшем подвергать гальваническому покрытию другими металлами, эксплуатировать в контакте с продуктами питания. Данным сплавом паяют медицинские инструменты, оборудование. Полученные спаи – качественные, долговечные.
ПОС 63
Широко используется для пайки микросхем, печатных плат, пружин, важных узлов различных высокоточных приборов и измерительного оборудования из таких металлов, как сталь, медь, бронза, латунь. ПОС 63 востребован при групповой пайке на окунанием с протяжкой, соединении волной припоя на автоматических линиях.
Плавиться при 183 ?С. Характеризуется небольшой плотностью, хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью, высоким показателем текучести. В состав ПОС 63 входит 62,5 – 63,5% олова, около 37% свинца. Содержит примеси висмута (0,1%), Cu, сурьмы (по 0,05%), Ni, As, Fe, S (не более 0,02% каждого), Al, Zn (0,002%). Они оказывают непосредственное влияние на технические характеристики.
ПОС 61 и ПОС 61М
ПОС 61 – универсальный оловянный припой, применяемый во многих отраслях. Им паяют детали из нержавейки, стали, латуни, меди, олова, бронзы, свинца. Для соединения меди, стали, латуни, бронзы припой ПОС 61 – наилучший выбор. Плавиться при 183-190 градусов Цельсия. Химсостав содержит: 59 – 61% олова, около 39% свинца, 0,1% сурьмы, 0,2% висмута, 0,05% Cu, 0,02% As.
В состав ПОС 61М входит 1,2 – 2% Cu, которые оказывают влияние на свойства. Прекрасно подойдет для пайки проводов, микросхем, фольги, печатных плат, радио, электроаппаратуры, высокоточных приборов, которые чувствительны к перегреву. В сравнении с другими видами оловянных припоев, которые можно купить, ПОС 61 отличается более высокой химической чистотой.
ПОС 50
Сплав содержи 50% олова, около 50% свинца, незначительные доли примесей. Используется для соединения деталей из железа, латуни, стали, меди, бронзы. Плавиться при 209 градусах по Цельсию. Применяется в самых разных сферах. Прочность на растяжение – 3,6 кгс/мм2.
ПОС 40
Состоит из 39 – 40% Sn, около 60% свинца и примесей: сурьмы (0,1%), меди (0,5%), мышьяка (0,02%). Используется для меди, стали, бронзы, латуни, оцинкованных изделий (в том числе, методом горячего цинкования). ПОС 40 соединяют детали радиаторов, трубопроводов, аппаратуры. Спай полностью герметичен. Формирует прочный шов, электроконтакт с малым переходным сопротивлением. Оловянно-свинцовый припой совместим со всеми видами оборудования, поэтому широко востребован не только в бытовых ремонтах, но и на крупных заводах.
ПОС 35
Используется в машиностроении, монтажных и ремонтных работах, для соединения деталей электрооборудования, гибких шлангов, изделий из белой жести и пр. Аналоги – ПОС 40, ПОС 30. Свойства и характеристики очень схожи.
ПОС 30
Содержит в составе 29 – 31% олова, 0,1% сурьмы, 0,02% мышьяка и 0,05% меди, остальное – свинец. Применяется для пайки деталей в машиностроении, изделий из оцинкованного железа, латуни, меди, бронзы, стали, лужения. Обеспечивает высокую герметичность швов. Популярный среди радиолюбителей. Из-за высокого содержания свинца пруток с диаметром до 10 мм можно легко согнуть руками.
ПОС 20
Используется при высокотемпературной пайки, ввиду относительной тугоплавкости. Большая часть в составе (около 80%) приходится на свинец. Применяется при ремонте радиаторов, спайке крупных проводов и пр.
ПОСу 95-5
Сурьмянистый припой, в химсоставе которого 4 – 5% сурьмы, остальное — Sn. Допускаются примеси Cu – 0,05%, висмута – 0,1%, не более 0,02% железа, мышьяка, серы, никеля, не больше 0,002% алюминия, цинка. Используется для спаивания элементов трубопроводов, в электропромышленности, для соединения деталей, эксплуатирующихся при повышенной температуре.
ПОССу 40-2
В составе данного материала 39 – 41% олова, 1,5 – 2% сурьмы, около 58% свинца. Также присутствуют примеси 0,08% Cu, 0,2% висмута, 0,02% мышьяка и 0,08% никеля, каждая из которых оказывает непосредственное влияние на свойства ПОССу 40-2. Плотность соединения (спая) – 9,2 г/см3. Применяется для пайки тонколистовых материалов, лужения, скрепления некоторых деталей холодильного оборудования.
ПОССу 30-2
Применение для припоев
Область эксплуатации достаточно широка.
ПОС 4-6 (заменяет ПОС-30) — для спайки железа, меди, свинца, жести белой при наличии клепанных замочных швов;
ПОС-18 (заменяет ПОС-40) — лужение перед пайкой дерева, спайка латуни, меди, железа оцинкованного, свинца;
ПОС-30 — спайка латуни, цинка и оцинковки, железа, жести белой, меди. Выполнение работ по пайке гибких шлангов, электромоторов, радиоаппаратуры;
ПОС-40 — пайка железных, медных, латунных проводов;
ПОС-90 — пайка внешних поверхностей посуды для употребления пищи, медицинских инструментов. Содержание 10% вредного свинца, делает его применение допустимым, для использования на поверхностях, которые контактируют с пищей и водой.
Поставщик:ООО РТГ «МетПромСтар»
Олово в чистом виде теоретически могло бы использоваться при пайке благодаря хорошей смачивающей способности и электропроводности. Однако, при понижении температуры велика вероятность перехода одной формы металла в другую, хрупкую и нестойкую.
В результате пайка завершится образованием недолговечного соединения. Припои из чистого олова на практике не применяются.
Широкое распространение получили сплавы олова со свинцом, подходящие для пайки разных деталей. Многие из припоев имеют маркировку ПОС с указанием процентного содержания олова. Если в состав входит висмут, в буквосочетании появляется дополнительная буква В.
Известны именные составы для пайки, содержащие олово, свинец, висмут, иногда другие добавки в различных пропорциях. Примерами являются сплавы Вуда, Д, Арсе, Розе.
Группа оловянистых соединений со свинцом пригодна для лужения, пайки меди, медных и стальных сплавов. Все они имеют низкие температуры плавления, удобны для работы с обычным паяльником, всегда присутствуют в продаже.
Если вдруг пайку нужно проводить срочно, а припоя под руками нет, можно паяльником снять соединение со старых ненужных электроприборов. Масса эффективно послужит вам еще раз.
Смеси с содержанием кадмия, алюминия, цинка, висмута используют для пайки алюминиевых изделий, деталей из цветных сплавов. Образованию прочных швов способствует введение легирующих компонентов.
Марки оловянных и оловянно-свинцовых припоев
Экологическая общественность с тревогой воспринимает информацию о разнообразии сфер применения припоев с токсичными металлами.
Проводится разъяснительная работа об опасности длительного контакта со свинцом, кадмием, висмутом при пайке. Разрабатываются и внедряются в практику альтернативные припойные сплавы, в которых удалось заменить вредные химические элементы безопасными.
Из бессвинцовых припоев большую область применения при пайке охватывают сплавы олова и меди. Эвтектическая смесь обеспечивает образование прочных швов на разных материалах, в соответствии со свойствами которых подбирается пропорция компонентов в расходном материале. Оловянно-медные припои имеют доступные цены, характеризуется экологической безопасностью.
Прекрасный результат дает пайка посредством оловянно-серебряных сплавов. Шов образуется прочный, термостойкий.
Материал не токсичен. Допустимо его применение даже при пайке систем подачи питьевой воды. Качества расходного материала позволяют использовать его в производственных нуждах, но желания лимитирует стоимость. Серебряный компонент заметно повышает цену.
Минимальное значение температуры плавления имеет сплав олова с галлием. Пайка с ним может проводиться при 20 ℃. Для таких работ привычное паяльное оборудование не потребуется.
Однако, галлий – дорогостоящий металл. Сфера его использования при пайке ограничивается целесообразностью повышенных финансовых затрат.
ПОССу 30-2
Процесс пайки
— получения электроконтакта с малым сопротивлением;
— получения прочного шва (иногда термического, абсолютно герметичного).
Процесс пайки основан на различии температур плавления у припоя и соединяемых металлов. Тогда как мягкий сплав плавится, становится жидким и текучим, соединяемые металлы остаются твердыми. Расплавленный металл течет по соединяемым деталям, заполняя пустоты между ними. В процессе пайки формируется промежуточный слой, который включает в себя объединенные части припоя и материала объединяемых элементов.
— свойств объединяемых материалов;
— требования к прочности соединения;
— коррозийной устойчивости спая;
— его стоимости.
А при спаивании деталей, проводящих ток, учитывают еще коэффициент удельной проводимости.
Для пайки проводов из меди используют ПОС-40 на канифольной основе. Нержавеющую сталь можно соединить обычными ПОС, но для флюса используют специальный материал, отличающейся большей активностью, чем канифоль.
Иммерсионные покрытия
Пайка на печатных платах проводится после подготовки поверхности, которая может осуществляться разными способами.
Качественный результат обеспечивает иммерсия – нанесение тонкого слоя металла из раствора его солей.
Плату погружают в раствор, который должен содержать компонент с меньшей электроотрицательностью, чем основной материал.
Толщина покрытия не превышает 1 мкм. Метод имеет недостатки, которые заключаются в возможности образования интерметаллических включений и микроскопических нитевидных кристаллов.
Для того чтобы не ухудшить условия проведения последующей пайки предварительно проводят осаждение крупных кристаллов олова. Другим вариантом избежать неприятностей является нанесение тонкого слоя металлорганических веществ перед осаждением олова. Принятые меры позволяют успешно проводить пайку.
Иммерсионное покрытие образуется при размещении платы в растворе хлорида олова. Процесс можно простимулировать введением в водный раствор небольших количеств комплексообразователей, например, тиомочевины.
Пайку нужно проводить не позднее, чем через 2 недели после иммерсии. Иначе образовавшиеся интерметаллические соединения не позволят провести работу успешно.
Облегчить проведение пайки может добавка в раствор солей висмута. В результате иммерсионный слой будет содержать олово и висмут. Поверхность платы можно обработать консервирующим лаком.
Последующая пайка может проводиться непосредственно по лакированному слою. Если возникают особые обстоятельства, требующие очень ответственного проведения пайки, слой лака можно легко удалить спиртом.
Лужение
Известно, что многие металлы легко окисляются. Находясь на поверхности при контакте с воздухом в присутствии влаги, они превращаются в оксиды, затем гидроксиды, постепенно разрушаются.
Еще в давние времена научились защищать металлические изделия нанесением покрытий из стойких металлов. Для лужения олово и его сплавы в большинстве случаев применяли и используют по настоящее время.
Раньше лудили котлы, посуду для приготовления пищи. Сейчас для изготовления кухонной утвари применяют многие металлокерамические композиты, которые не ржавеют. Луженых котлов и кастрюль на рынке почти не бывает.
Постоянно покрывают слоем оловянных сплавов консервные банки. Иначе вместо консервов потребители смогли бы увидеть ржавую массу. Оловянные защитные покрытия применяют в радиоэлектронике. Пайка изделий на такой поверхности проходит без труда.
Существует несколько технологий лужения оловом. Покрытие можно формировать из расплава, раствора, мокрым способом или с применением гальванических ванн. При выборе метода ориентируются на размеры изделия, условия его эксплуатации, наличие производственных условий.
