Температура плавления припоя. Свойства припоев и подшипниковых материалов

Что нужно для пайки паяльником

Кроме самого паяльника нужны будут припои, канифоль или флюсы, желательно иметь подставку. Еще в процессе работы может потребоваться небольшой напильник и маленькие пассатижи.

Чаще всего приходится паять медные провода, например, на наушниках, при ремонте бытовой техники и т.д.

Вся технология пайки паяльником проводов может быть разделена на несколько последовательных этапов. Все они повторяются в определенной последовательности:

• Подготовка проводников. При пайке проводов они освобождаются от изоляции. После этого с них механическим путем удаляется оксидная пленка. Можно использовать небольшой кусок наждачной бумаги с мелким зерном. Металл должен блестеть и быть светлым.
• Лужение. Разогревают паяльник до температуры плавления канифоли (при прикосновении начинает активно плавится). Берут проводник, подносят к куску канифоли, прогревают паяльником так, чтобы вся зачищенная часть провода оказалась погруженной в канифоль. Затем на жало паяльника берут каплю припоя и разносят его по обработанной части проводника. Припой быстро растекается, покрывая тонким слоем  провод. Чтобы он распределялся быстрее и равномернее, провод немного поворачивают. После лужения медные проводники теряют красноту, становясь серебристыми. Так обрабатывают все провода, которые надо будет припаивать

  Лужение провда

•  Залуженные проводники складывают вместе, поправляя их пальцами — чтобы они плотно прилегали один к другому. Если пайка должна быть большой протяженности, можно сделать скрутку. Придерживая проводники, на жало берут припой, прижимают его к месту пайки, прикладывая некоторое усилие. При этом место пайки разогревается, начинает кипеть канифоль, припой растекается. Когда он покроет всю зону, затечет между проводниками, можно считать что пайка паяльником проводников закончена. Их еще некоторое время удерживают неподвижно — пока припой не остынет (для ускорения процесса на это место дуют).

Вот, собственно и все. Таким же образом можно спаять два или более провода, можно припаять провод к какой-то контактной площадке (например, при пайке наушников — провод припаять можно к штекеру или к площадке на наушнике) и т.п.

После того, как закончили паять паяльником провода и они остыли, соединение необходимо изолировать. Можно намотать изоленту, можно надеть, а потом разогреть термоусадочную трубку. Если речь идет об электропроводке, обычно советуют сначала навернуть несколько витков изоленты, а сверху надеть термоусадочную трубку, которую прогреть.

Суть процесса пайки состоит в том, что металлы соединяются между собой при помощи сплава, имеющего температуру плавления ниже температуры плавления соединяемых веществ.

Во время пайки материалы подвергаются нагреванию до температуры плавления припоя. При этом обеспечивается очень сильная адгезия (прилипание) – свойство материалов сцепляться друг с другом на молекулярном уровне.

Однако не происходит плавление основных деталей и перемешивания их с материалом припоя, как происходит при сварке с использованием присадочного материала.

Для пайки медных проводов традиционно используются паяльники. Существует несколько их видов, в том числе электрические и газовые. Пайка медных проводов осуществляется при помощи электрического паяльника с медным жалом. Этот инструмент представляет собой медный стержень, иногда с никелевым покрытием, который установлен в корпусе нагревательного элемента.

Нагревательный элемент работает от постоянного или переменного тока. Напряжение питания может варьироваться от 12 до 220 В. Для пайки медных проводов электропроводки в доме подходит самый обычный паяльник мощностью 60 Вт. Если надо спаять тонкие проводки электроприбора, то подойдет и менее мощный инструмент. Важно, чтобы он хорошо прогревал медный материал и расплавлял припой.

Чтобы обеспечить высокое качество пайки и прочность соединения, необходима неподвижность во время остывания расплавленного припоя. Провода можно держать руками, но удобнее использовать пинцет или зажимы.

Для пайки медных проводов применяют оловянно-свинцовый припой. Чаще всего это ПОС-61, но можно взять и ПОС-40. Маркировка указывает на состав – припой оловянно-свинцовый с содержанием олова 61%.

Припой обычно производится в прутках диаметром около 8 мм или в виде паяльной проволоки диаметром 2 мм. Нередко используют универсальный припой для пайки медных проводов, который выглядит как полая трубка из оловянно-свинцового сплава. Внутри такой трубки находится порошок из флюса.

Температура плавления припоев и легкоплавких сплавов

Алюмель 2% Al,
остальное Ni.

Хромель 10% Cr,
остальное Ni.

В начале своей радиолюбительской деятельности многие начинающие радиолюбители редко задаются вопросом о том, какие бывают припои и каковы их свойства.

Для сборки простейших самодельных устройств достаточно самого распространённого ПОС-61 или ему подобного. Как говориться: «Было бы, чем паять…»

Припой можно даже не покупать. Достаточно взять старую печатную плату от какого-нибудь электронного прибора и собрать его разогретым жалом паяльника с паяных контактов.

Особенно такой метод «добычи» актуален для тех, кто живёт вдали от городов и крупных населённых пунктов, где нет возможности побывать в магазине радиотоваров.

Припой, собранный с печатных плат

Но всё же, припой припою рознь. В своей практике человек, имеющий дело с электроникой, должен разбираться в вопросе его выбора. Поэтому рассмотрим подробно, какие бывают припои, для чего они применяются, какой из них лучше использовать для монтажа электронных схем и ремонта бытовой радиоаппаратуры.

В таблице представлена температура плавления припоев распространенных марок на основе олова и свинца, а также их  теплофизические и механические свойства. Свойства припоев даны при комнатной температуре.

В таблице приведены следующие свойства: температура плавления припоев (солидус и ликвидус) в градусах Цельсия, плотность припоев, удельное электрическое сопротивление, коэффициент теплопроводности, временное сопротивление разрыву, относительное удлинение, ударная вязкость, твердость по Бринеллю, HB.

Температура плавления припоев (ликвидус — жидкое состояние припоя) на основе свинца и олова находится в диапазоне от 145 до 308°С. Следует отметить, что температура плавления припоя, равная 145°С, соответствует припою ПОСК 50-18, который относится к категории легкоплавких припоев. При температуре 308 градусов Цельсия в жидком виде находится припой ПОССу 5-1.

https://www.youtube.com/watch?v=gGTWJY_3Jjw

Рассмотрены свойства следующих припоев: ПОС 90, ПОС 61, ПОС 40, ПОС 10, ПОС 61М, ПОСК 50-18, ПОССу61-0,5, ПОССу 50-0,5, ПОССу 40-0,5, ПОССу 35-0,5, ПОССу 30-0,5, ПОССу 25-0,5, ПОССу 18-0,5, ПОСу 95-5, ПОССу 40-2, ПОССу 35-2, ПОССу 30-2, ПОССу 25-2, ПОССу 18-2, ПОССу 15-2, ПОССу 10-2, ПОССу 8-3, ПОССу 5-1, ПОССу 4-6.

По данным таблицы видно, что плотность припоев меняется в пределах от 7300 до 11200 кг/м3. Припоем с минимальной плотностью является оловянно-свинцовый припой ПОСу 95-5. Наиболее тяжелым из рассмотренных припоев является припой ПОССу 5-1 — плотность такого припоя имеет величину 11200 кг/м3.

Теплопроводность припоев в таблице дана в размерности ккал/(см·с·град). Припоями с максимальной теплопроводностью являются ПОС 90 и ПОСК 50-18 — их теплопроводность равна 0,13 ккал/(см·с·град).

К серебряным припоям относятся такие припои, как ПСр72, ПСр71, ПСр70, ПСрМО68-27-5, ПСр65, ПСр62, ПСр50, ПСр50КД, ПСрМЦКд45-15-16-24, ПСрКДМ50-34-16, ПСр45, ПСр40, ПСр37,5, ПСр25, ПСр25Ф, ПСр15, ПСр12М, ПСр10, ПСр010-90, ПСрОСу8 (Впр-6), ПСрМО5 (Впр-9), ПСрОС 3,5-95, ПСр3, ПСрО 3-97, ПСрОС3-58, ПСр3Кд, ПСр2,5, ПСр2,5С, ПСр2, ПСрОС2-58, ПСр1,5, ПСр1.

Плотность припоев на основе серебра изменяется в пределах от 7400 до 11400 кг/м3. Низкая плотность припоя, содержащего серебро, свойственна таким припоям, как: ПСрОСу8, ПСрМО5, ПСрОС 3,5-95 и ПСр010-90. Наиболее тяжелый припой — это ПСр3, его плотность равна 11,4 г/см3.

Температура плавления припоев на основе серебра находится в диапазоне от 183 до 860°С. Припоем с наименьшим удельным электрическим сопротивлением является серебряный припой ПСр72 — его электросопротивление равно 2,1 мкОм·см.

Удельное электрическое сопротивление припоев значительно изменяется в зависимости от марки припоя. Оно может иметь значение в интервале от 2,1 (у припоя ПСр72) до 37,2 мкОм·см — у ПСр37,5.

Примечание: плотность и удельное электрическое сопротивление припоев указаны при комнатной температуре.

В таблице даны значения температуры плавления припоев и легкоплавких сплавов на основе ртути Hg, цезия Cs, калия K, висмута Bi, таллия Tl, индия In, олова Sn, свинца Pb, кадмия Cd, сплав Вуда, сплавы Роуза (Розе), золота Au, магния Mg, цинка Zn, серебра Ag.

Значения температуры плавления припоев и сплавов в таблице приведены начиная с самых легкоплавких сплавов и находятся в диапазоне от -48,2 до 262°С. В сплавах с отрицательной температурой плавления (от минус 48,2°С) преобладает содержание ртути и щелочных металлов. Легкоплавкие сплавы с температурой плавления от 200 до 260°С имеют в своем составе преимущественное содержание висмута и таллия.

Примечание: эвт — эвтектические сплавы или близкие к ним; для неэвтектических сплавов приводятся значения температуры солидуса.

В таблицах даны теплофизические свойства некоторых припоев и  баббитов (антифрикционных подшипниковых материалов) при комнатной температуре. Представлены такие свойства, как: плотность, коэффициент температурного расширения и теплопроводность.

Указаны свойства следующих припоев и баббитов: ПОС-30, ПОС-18, ПСр45, ПОЦ70, ПОЦ60, 34А, эвтектический силумин; баббиты, Б83, Б16, БКА, Б88, Б89, Б6.

Следует отметить, что плотность припоев, коэффициент температурного расширения (КТлР) и теплопроводность припоев и баббитов имеют близкие значения, за исключением припоя 34А и эвтектического силумина, которые в 2-4 раза легче.

В таблице представлен состав и значение коэффициента теплопроводности алюминиевых антифрикционных сплавов, баббитов и припоев при температуре от 4 до 300 К (от -269 до 27°С).

Рассмотрены следующие припои и подшипниковые материалы: АН2,5, АО6-1, БКА, Б16, Б83, Б88, ПОС61, ПОС18, ПОССу18-2, ПОССу40-2, сплав Вуда, сплав Розе, ПСр25, ПСр44, ПСр70.

Наиболее теплопроводным антифрикционным сплавом, по данным таблицы, является сплав АО6-1 — его теплопроводность равна 180 Вт/(м·град). Наибольшую теплопроводность среди рассмотренных припоев имеет серебряный припой ПСр70 (на основе серебра и меди) — теплопроводность этого припоя равна 170 Вт/(м·град).

Источники:

1. Физические величины. Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. — М.:Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
2. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники.
3. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. — 1008 с.
4. Цветные металлы. Справочник. — Нижний Новгород: «Вента-2», 2001. — 279 с.

Основные
характеристики флюсов.

Паянием (пайкой) называют
процесс получения неразъемного соединения двух пли нескольких
металлических деталей при помощи расплавленного промежуточного
металла, плавящегося при более низкой температуре, чем материал
соединяемых деталей.

https://www.youtube.com/watch?v=cuiAy0o6pOI

Промежуточный металл, или
сплав, применяемый при пайке, называют припоем. В зависимости от
температуры плавления припоев различают пайку легкоплавкими,
тугоплавкими припоями. Легкоплавкие припои имеют температуру
плавления ниже 400°С и обладают пределом прочности 5-7
кгс/мм 2 , тугоплавкие припои плавятся при температуре
500-1100° С и их предел прочности доходит до 50 кгс/мм 2 и выше.

Характеристики наиболее
часто применяемых припоев приведены в табл. 7 — 10.

7. Характеристики
оловянно-свинцовых припоев: ПОС-90, ПОС-61, ПОС-50, ПОС-40, ПОС-30, ПОС-18, ПОСС-4-6.

8. Характеристики
медно-цинковых припоев: ПМЦ-36, ПМЦ-48, ПМЦ-54.

9. Характеристики
медно-фосфористых припоев: МФ-1, МФ-2, МФ-3.

Примечание.
Медно-фосфористые пропои применяют для паяния деталей из меди и
латуни. Они хорошо работают на изгиб, но обладают высокой
электропроводностью, при вибрациях и ударных нагрузках значительно
уступают серебряным припоям.

10. Характеристики
серебряных припоев: ПСр-10, ПСр-12м, ПСр-25, ПСр-45, ПСр-65, ПСр-70, ПСр-25, ПСр-50Кд.

Кроме припоев, при пайке
применяют флюсы, которые защищают место спая от окисления при
нагреве, обеспечивают необходимую смачиваемость его расплавленным
припоем и растворяют на поверхности паяемого металла окисные пленки.

При паянии твердыми
припоями флюсами служат бура, борная кислота, плавиковый шпат и
некоторые другие вещества. При пайке мягкими припоями пользуются
хлористым цинком, канифолью, нашатырем, пастами и др.

Характеристики широко
применяемых составов флюсов для пайки твердыми и мягкими припоями
приведены в табл. 11.

11. Основные
характеристики флюсов

Припой с индием Pb— 37,5 % Sn—25 % In с температурой плавления 134—181 °С также использован для пайки свинца. Припои, богатые индием, такие, как припой 52 % In—48 % Sn с температурой плавления 117 °С, весьма пластичны и сравнительно прочны. Паянные ими соединения работают при температуре —196,15°С и нашли применение для пайки электронных приборов.

Оловянные и оловянно-свинцовые припои

Олово и его сплавы, содержащие {amp}gt;50 % Sn, имеют температуру ликвидуса в интервале 145—250 °С. Основу таких припоев составляют четыре тройных и три двойных эвтектики, богатые оловом (табл. 8).

Почти все эвтектики этих систем и состоят из фаз на основе твердых растворов элементов, за исключением сплавов системы Sn—Pb—Cd.

Свойства легкоплавких припоев во многом зависят от свойств одной из основных фаз — твердого раствора олова. Олово имеет две полиморфные модификации: 1) белое, с тетрагональной кристаллической структурой, устойчивой до температуры 13,2 °С, с плотностью 7,28 г/см л; 2) серое, с кубической структурой типа алмаза, образующееся при низких температурах, с плотностью 5,82 г/см 3 .

Превращение белого олова в серое происходит с выделением теплоты и сопровождается большим изменением объема, что вызывает его разрушение и образование серого порошка («оловянная чума»). Скорость превращения белого олова в серое при температуре 13,2 °С благодаря способности его к переохлаждению мала; она максимальна при — 30-50 °С и уменьшается при дальнейшем снижении температуры.

Белое олово (Р—Sn) обладает хладноломкостью при — 30 -60 °С; вязкое разрушение переходит в хрупкое при ударных испытаниях. В припое ПОС 30, где оловянной фазы меньше, чем в припое ПОС 40, температурный интервал перехода из вязкого в хрупкое состояние расширяется, а ударная вязкость снижается более плавно.

Пластичность олова повышается в интервале температур от 17 °С до — 30 °С, после чего начинает резко снижаться.

Превращение белого олова в серое ускоряется при наличии зародышей серого олова, наряжений в деталях, коррозионно активной среды, некоторых примесей, повторных нагревов и охлаждения. Известны случаи разрушения при низких температурах в холодильных установках полуды и деталей из чистого олова.

Алюминий, цинк, германий, медь, железо, кобальт, марганец и магний ускоряют распад белого олова; висмут, сурьма, свинец, кадмий, серебро, индий, золото и никель задерживают. При наличии в олове 0,3—0,5 % Bi, или 0,5 % Sb, или 1 % Рb распад олова становится практически невозможным.

Опыт показывает, что введение в оловянные припои меди, никеля, магния и цинка повышает их прочность, висмута и цинка — увеличивает их смачивающую способность и легкоплавкость, кроме того, добавки магния, образующего химические соединения с Sn и Рb, упрочняют припои.

В оловянно-свинцовых припоях и в паянных ими соединениях «оловянная чума» даже при работе соединений при низких температурах не наблюдалась.

Легкоплавкие припои, богатые оловом, представлены среди тройных сплавов эвтектической системы Sn—Pb—Cd. Наиболее распространенные припои, содержащие эвтектику Sn—РЬ с температурой плавления 183°С.

Сурьма уменьшает окисление оловянно-свинцовых припоев в жидком состоянии, улучшает их внешний вид и увеличивает теплостойкость до температуры немного выше 100 °С.

Основной набор стандартных оловянно-свинцовых припоев в разных странах примерно одинаков. Они различаются по содержанию примесей и сурьмы, упрочняющей эти припои, содержание которой не превышает 6 %, так как при большем ее количестве образуется химическое соединение SnSb, охрупчивающее припой.

Оловянно-свинцовые припои, содержащие сурьму, непригодны для пайки цинка и его сплавов из-за образования хрупкого химического соединения в шве. Сурьма в больших количествах ухудшает жидкотекучесть Sn—Рb припоев, снижает их коррозионную стойкость, ухудшает сцепляемость с паяемым металлом.

Твердость оловянно-свинцовых припоев при добавлении свинца к олову непрерывно повышается до эвтектического состава, а затем, при дальнейшем его увеличении,— снижается.

Исследования влияния допустимого содержания сурьмы в припоях Sn—Рb на их физико-химические свойства позволили классифицировать эти припои на три группы: 1) бессурьмянистые припои с содержанием до 0,05 % Sb, применяемые при необходимости получения высокой пластичности и вакуумной плотности паяных швов;

2) малосурьмянистые припои, содержащие 0,2— 0,5% Sb, с повышенной пластичностью, обеспечивающие плотные швы и применяемые для оцинкованных и цинковых деталей; 3) сурьмянистые припои, содержащие 2—5 % Sb, широко используемые при абразивной пайке, а также в различных отраслях техники, где требуется повышенная прочность паяных швов.

Оловянно-свинцовые припои обладают двумя важными характеристиками, определяющими механические свойства паяного соединения: температура рекристаллизации их близка к нормальной; растворимость олова в свинце сильно изменяется при повышении температуры. При нормальной температуре в свинце растворяется 2 % Sn, тогда как при эвтектической температуре 183 °С в нем растворяется 19,5 % Sn.

Упрочнить эти припои наклепом не удается. В отличие от чистого олова деформированные оловянно-свинцовые припои имеют меньшую твердость и прочность, чем литые. Подробное исследование этого явления показало, что причиной его служит не только низкая температура рекристаллизации, но и выделение олова из пересыщенного твердого раствора свинца.

Соединение меди и алюминия

При соединении пайкой медных и алюминиевых проводов можно столкнуться со множеством трудностей, преодолеть которые возможно будет, только применив альтернативные методы соединений.

Дело в том, что как алюминий, так и медь покрываются на воздухе оксидной пленкой. И если сами по себе эти пленки никак не влияют на состояние проводника и даже обеспечивают довольно неплохую проводимость, то соединяясь вместе, они способствуют возникновению мощной химической реакции. Под действием влаги, содержащейся в воздухе, в месте контакта оксидов алюминия и меди начинается процесс электролиза, то есть образуется электрический ток из-за того, что ионы обоих материалов обладают разными электрическими потенциалами.

Электрический ток является движением заряженных частиц – ионов и при их движении металлы в месте контакта разрушаются. При этом сильнее разрушается алюминий. Разрушение вызывает ухудшение контакта, а впоследствии увеличивается электрическое сопротивление соединения и оно нагревается. При сильной коррозии, когда непосредственный контакт между двумя материалами уже утрачен, возникает электрическая дуга, которая и довершает разрушение.