Высокотемпературный и низкотемпературный припой для пайки меди, алюминия и других металлов

Общие свойства

Удивительно, что, несмотря на классификацию ГОСТа, даже в учебниках существует разная подача материалов.

Так, некоторые авторы в качестве минимальной температуры, рекомендуемой для применения высокотемпературных припоев, называют 500 °С.

Существует большое количество готовых композиций, рекомендуемых к применению при повышенных температурах. Часто в состав высокотемпературных припоев входит:

• медь;
• серебро;
• цинк;
• фосфор.

Для изменения свойств в высокотемпературные сплавы добавляют кремний, германий и некоторые другие элементы. Низкотемпературными считаются припои:

• на основе свинца;
• олова;
• с добавлением сурьмы.

Иногда в низкотемпературные припои вводят цинк для повышения коррозионной стойкости шва, и разрабатывают специальные низкотемпературные сплавы для конкретных условий использования. В быту низкотемпературную пайку проводят с применением паяльника, а высокотемпературную – газовой горелкой.

Какой бы ни был тип и вид сплава, с каким бы материалом он ни использовался, в нем не должно содержаться тяжелых металлов или любых других токсичных веществ выше установленной нормы. Состав припоя максимально соответствует материалу деталей. А иначе не удастся получить надежного соединения. Будет наблюдаться излишняя хрупкость.

Любой припой, вне зависимости от вида и предназначения, должен быть термостабильным. Также припой для пайки должен обладать электростабильностью. Следует учитывать коэффициенты теплового расширения и теплопроводности. Они не должны существенно отличаться от тех значений, которые применяются к паяным изделиям.

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.

Для жаропрочных сплавов

Высокотемпературные припои применяют для нержавеющих и жаропрочных стальных сплавов. Пайку таких сплавов проводят с применением припоев на основе меди, меди с цинком, серебра.

Процесс осуществляется в печах в окружении водорода или паров раствора аммиака. При пайке с помощью меди, медно-цинковых композиций в качестве флюсовой добавки используют буру.

Серебряные высокотемпературные припои можно применять только в сочетании с активными флюсами. Полученные таким методом швы выдерживают нагревание до 600 ℃. Соединения, полученные с медьсодержащими составами, высокие температуры переносят хуже.

В качестве альтернативы иногда применяют никель-хромовые припои с платиной или палладием. Такие высокотемпературные материалы стоят дороже. Швы обладают большой термической и коррозионной устойчивостью.

При наличии на стальных изделиях из нержавеющих и жаропрочных сплавов больших зазоров, хорошее соединение дают порошковые припои, содержащие компоненты, идентичные химическим элементам сплавов.

Полученные швы выдерживают нагревание до 1000 ℃. Процесс проводят в вакуумированной среде, наполненной аргоном и газообразным флюсом.

Состав паяльных 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.

Работа с титаном

В системах водоснабжения, отопления и некоторых производственных схемах осуществляется монтаж медных труб, не предназначенных для повышенной термической нагрузки. В таких ситуациях для пайки допустимо применение низкотемпературного припоя.

Трубопроводы большого диаметра, сделанные из медных сплавов, иногда подвергаются большому нагреванию. В таких случаях для меди и сплавов на ее основе нужны специальные тугоплавкие композиты.

Обычно применяют высокотемпературные припои на медной, серебряной основе, содержащие другие металлы, а также кремний или фосфор.

Составы из меди и цинка обозначают сочетанием букв ПМЦ и числами, указывающими на процентное содержание меди. Такие высокотемпературные припои обладают многофункциональным действием, пригодны для работы с другими сплавами.

Образующиеся швы обладают умеренной стойкостью к механическим нагрузкам. Для улучшения прочностных качеств соединений припойные средства легируют различными добавками.

Для пайки тугоплавких металлов и сплавов возможностей большинства описанных припоев недостаточно. Нужны совершенно другие высокотемпературные компоненты. Таким химическим элементом является титан, имеющий температуру плавления около 1700 °С.

Он образует прочные швы даже на изделиях с остатками оксидов. Процесс нужно проводить в атмосфере чистого аргона или гелия при значительном понижении давления в рабочей зоне.

Высокотемпературные составы из титана и меди, никеля, кобальта, других металлов проявляют свойства эвтектических систем. Сами по себе они обладают хрупкостью, применяются в виде порошков, паст.

Проволоку, ленты, полосы их этих сплавов изготовить не удается. Работать паяльником с тугоплавкими композитами невозможно.

В некоторых случаях на практике реализуют технологию контактного плавления. В зазор изделия, подлежащего пайке, помещают фольгу из титана или его сплавов.

При достижении температуры 960 ℃ начинается, а при показаниях 1100 ℃ заканчивается образование эвтектического сплава, играющего роль припоя.

Изделия, подлежащие эксплуатации при очень высоких температурах, подлежат спайке при помощи сплавов с добавками кремния, железа. Для реализации таких технологических процессов нужны мощные источники энергии.

Требуемой температуры достигают в вакуумных печах, плазменными горелками. Можно применять с этой целью электроконтактный способ или воздействие электронным лучом.

Высокотемпературное спаивание деталей – трудоемкий процесс, требующий специальных знаний и квалификации. Располагая хорошими вспомогательными средствами, оборудованием можно справиться с производственной задачей любой степени сложности.

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.

На основе меди и фосфора

Высокотемпературные составы на основе меди и фосфора обозначаются буквосочетанием ПМФ и числами, указывающими на концентрацию фосфора в общей массе.

Средство переходит в жидкое состояние при температуре 850 ℃, позволяет получать швы хорошей коррозионной стойкости. Припой применим не только для медных, но и ювелирных изделий из благородных металлов.

Только стали нельзя паять таким методом. В результате на стальных швах образуются фосфиты, которые уменьшаю механическую прочность шва, приводят к образованию хрупкого соединения. Достоинство медьсодержащих припоев с фосфором заключается в возможности проведения пайки без флюсов.

Для работы с медными, некоторыми стальными, чугунными деталями также рекомендуются высокотемпературные припои на основе латуни. Это может быть чистый латунный сплав или композит с оловом и кремнием. Средства обладают текучестью, достаточной для образования прочного, стойкого шва.

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.

На основе серебра

Очень хорошие свойства имеют высокотемпературные припойные средства на основе серебра. Они подходят практически для всех металлических изделий. Единственный недостаток – цена благородного металла лимитирует возможности частого применения.

Существуют сплавы (ПСр-15) с невысокой концентрацией серебра. Они стоят меньше, чем концентрированные композиции, могут применяться чаще.

Составы (ПСр-45) с содержанием серебра – 45 %, меди – 30 %, цинка – 25 % обладают очень хорошими свойствами: вязкостью, текучестью, ковкостью, стойкостью к окислению и механическим воздействиям. Эти сплавы применяются по необходимости, при наличии финансовой возможности.

Варьируя соотношение указанных компонентов, можно изменять максимальные температурные значения, которые выдержит будущий шов. Еще лучшие качества демонстрирует высокотемпературная композиция с содержанием серебра 65 %, но стоит она очень дорого.

Смачиваемость

Прежде всего, любой вид припоя должен иметь отличную смачиваемость. Без этой характеристики спаиваемые детали просто не смогут надежно контактировать друг с другом. Что такое смачиваемость? Это такое интересное явление, когда прочность связей между частицами твердого вещества и жидкости выше, чем у молекул жидкости.

Если есть смачиваемость, тогда жидкость растечется по поверхности и попадет во все полости. Итак, если припой для пайки не смачивает, к примеру, медь, тогда его нельзя использовать с этим металлом. Для пайки ее не используют свинец в чистом виде. Его характеристики смачивания очень низкие и нельзя рассчитывать на высокое качество соединения.

Температура плавления

Какой бы ни был вид припоя, температура, при которой он начнет плавиться, обязательно должна быть ниже плавления спаиваемых материалов. Также она должна быть выше, чем рабочие температуры деталей.

Говоря о температуре плавления, подразумевают две точки. Это значение, при котором легкоплавкие компоненты начнут процесс плавления, и минимальное, где сплав превратится в жидкость. Разница этих двух температур называется интервалом кристаллизации. Если место пайки находится в пределах данной разницы, то даже небольшие механические нагрузки на деталь могут полностью разрушить структуру припоя.

Мягкие припои

Одними из самых популярных и распространенных считаются оловянно-свинцовые сплавы с разным содержанием компонентов. Для того чтобы придать материалу необходимые характеристики, в состав припоя для пайки могут добавляться различные дополнительные ингредиенты. К примеру, висмут и кадмий применяются для снижения температуры плавления. Добавление сурьмы позволяет увеличить прочность паяного шва.

Сплавы из свинца и олова отличаются низкой температурой плавления и невысокой прочностью. Их не стоит использовать для деталей, эксплуатация которых подразумевает серьезную нагрузку. Также не рекомендуются эти припои, если рабочие температуры деталей будут выше 100 °С. Если придется паять нагруженные детали мягкими припоями, следует попытаться увеличить площадь соприкосновения двух изделий.

Среди самых популярных мягких материалов можно выделить ПОС-18, ПОС-30, ПОС-40, ПОС-61, ПОС-90. Цифры здесь указаны не просто так. Это процент олова в сплаве. В промышленности его чаще применяют в производстве электроники, приборостроении. В быту же ими можно соединять самые разные детали: схемы телевизоров, микроволновок, электрических чайников и других мелких приборов.

ПОС-90 предназначен для работы с деталями, которые затем будут обрабатываться по гальванической технологии. ПОС-61 можно использовать для ремонта высокоточного оборудования. Также сплав идеально подойдет для соединения деталей высокой ответственности из самых разных материалов. ПОС-61 отлично себя зарекомендовал как припой для пайки меди и латуни. Припой подойдет тогда, когда необходимо добиться прочных соединений с высокой степенью электропроводности.

ПОС-40 широко используются для операций с неответственными и неточными деталями. При этом рабочая зона может нагреваться до высоких температур. ПОС-30 подходит для пайки меди или латуни, стальных сплавов и железа.

Твердые

Среди тугоплавких сплавов различают и широко применяют лишь две группы. В основном это медные или серебряные сплавы.

К первой группе можно отнести припои из меди и цинка. Они хорошо подходят для тех соединений, на которые будут воздействовать лишь статические нагрузки. Хрупкость этих сплавов не позволяет применить их в узлах, которые будут испытывать удары или любые вибрации.

К припоям из меди или составам на цинковой основе можно отнести ПМЦ-36 и ПМЦ-54. Первый – это идеальный припой для пайки латуни и любых других медных соединений. Второй годится для работы по медным деталями, бронзовым или же стальным.

Если необходимо соединить между собой две стальные детали, тогда можно воспользоваться чистой медью, латунью марок Л-62, Л-62, Л-68. Эти припои на основе латуни позволяют создать более прочные и пластичные соединения. Медные сплавы не имеют таких характеристик.

Самыми качественными считаются сплавы из серебра. В составе также может содержаться цинк и медь. ПСр-70 – припой для пайки меди, для работы с латунными или серебряными деталями. Этот элемент подходит в случае, если место соединения должно проводить электричество. ПСр-65 применяют в производстве ювелирной продукции, фитингов, водопроводных труб. ПСр-45 необходим для соединения тех деталей, которые работают в условиях вибрационных и ударных нагрузок.

Особенности пайки алюминия

Соединение алюминиевых деталей пайкой применяется в промышленности и в быту. Например, рамы современных велосипедов изготавливают из алюминиевых сплавов – в процессе экстремальной езды они часто ломаются. Встает вопрос: какой же припой выбрать?

Считается, что пайка алюминия – очень сложный процесс. Но на самом деле это так, если в процессе используют материалы для нержавейки или же латуни, стали, меди. Причина этого – оксидная пленка. Именно она не дает необходимого уровня смачиваемости, а основной металл не растворяется.

Чем паять медь?

Чтобы работа осуществилась на должном уровне, припой для пайки алюминия должен содержать в себе кремний, алюминий, а также медь, цинк и серебро. Сегодня в продаже можно отыскать составы, где все эти составляющие находятся в разных соотношениях.

Выбирая надежный припой, важно учитывать следующее. Максимальную стойкость к коррозии и высокую прочность будет иметь то соединение, которое делалось с припоем, где содержится много цинка.

Также для алюминия можно применить соединения на основе олова и свинца. Но важно качественно подготовить рабочую поверхность, зачистить щеткой из нержавейки и использовать активные флюсы. Но специалисты не рекомендуют использовать такой элемент.

Любой припой для пайки алюминия высокотемпературный. Самые оптимальные, которые позволяют получить надежное соединение, – алюминиево-кремниевые и алюминиево-медно-кремниевые.

Как уже было замечено выше, с ней можно работать большинством составов. Можно использовать как низкотемпературные легкоплавкие, так и твердые припои. Еще применяют составы на основе олова со свинцом, олова, серебра, меди с серебром и цинком.

Если необходимо отремонтировать материнскую плату компьютера или починить телевизор на даче, подойдут любые легкоплавкие элементы. Если же необходимо запаять фитинги на трубах или же починить водопровод либо холодильник, тогда сгодится только твердый припой для пайки меди. Именно так можно получить качественный результат.

Нержавеющая сталь

Если необходимо соединить детали из нержавейки, то профессионалы рекомендуют использовать прутки из олова и свинца. Также хорошо подходят материалы с кадмием. Можно применить легкоплавкие сплавы на базе цинка. Однако не стоит их использовать вместе с углеродистыми или же низколегированными сталями. Лучший припой для пайки нержавейки – это состав на основе чистого олова. Кроме того, только олово допускается, если место пайки будет контактировать с продуктами питания.

Если работы будут проводиться в сухой либо же печной атмосфере, тогда следует применить серебро с марганцем, хромоникелевые припои или чистую медь (а еще лучше латунь). Когда паять приходится в коррозионных условиях, используют серебряные тиноли с небольшой частью никеля.

Флюсы для пайки

В процессе операции флюс играет не меньшую роль, нежели припой. Это химический растворитель и поглотитель окислов. Он также защищает металлы от окисления и увеличивает смачивание.

Для работы с элементами на основе свинца и олова в качестве флюса можно применить соляную кислоту, хлористый цинк. Также подходит бура, хлористый аммоний. Это активные флюсы. К неактивным можно отнести канифоль, вазелины, оливковое масло и многие другие вещества.

К примеру, растворами соляной кислоты можно пользоваться с мягкими припоями. Хлористый цинк применяется с латунью, медью, сталью. Нашатырный спит отлично разводит и растворяет жирные вещества. Для алюминия используют состав из тунгового масла, канифоли, кальцинированного хлористого цинка. Также можно применить концентрированную фосфорную кислоту.

Итак, мы выяснили, какие существуют припои, и какой из них лучше использовать в разных случаях.