Мир современных материалов — Припои

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.

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.

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 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 данные

Популярность припоев из олова и свинца объясняется несколькими обстоятельствами.

Главная особенность сплавов – способность при определенном соотношении компонентов образовывать состав с эвтектическими свойствами. Это межметаллическая система, температура плавления которой меньше, чем ожидаемые значения.

Можно себе представить радость первооткрывателей, которые обнаружили, что оловянно-свинцовый сплав для превращения в жидкое состояние можно нагревать до меньшей температуры.

Интересно, что эвтектическая смесь может служить растворителем, в котором распределяется при добавлении определенное дополнительное количество какого-либо металла.

Так были разработаны разнообразные марки припоев ПОС. В их технических характеристиках указаны пропорции, значения физических констант.

Характеристики отдельных марок

Все представители категории относятся к легкоплавким припоям. Оловянно-свинцовые сплавы при любом соотношении исходных металлов плавятся при температуре до 450 °С. Характеристики припоев ПОС регламентированы ГОСТом.

Производители поставляют припойную продукцию:

• в литых чушках;
• в виде проволочных изделий;
• лентообразной фольги;
• трубчатой продукции с флюсами внутри;
• порошков или пастообразной массы.

В сплаве, содержащем 90 % олова, остальную часть массы составляет свинец. Припой ПОС-90 имеет температуру плавления 220 ℃.

Применяется для пайки изделий, которые впоследствии будут подвергаться гальванической обработке золотом или серебром.

Оловянно-свинцовый припой с 61 % олова имеет более доступную температуру плавления, равную 191 °С. ПОС-61 используется для изготовления тонких контактов деталей из медных и стальных сплавов в различных измерительных приборах. Места нанесения сплава не должны подвергаться сильному нагреванию.

Припой модно применять для пайки проводов, имеющих толщину до 0,08 мм, в обмотке. Он может подвергаться действию токов высокой частоты.

Припой используют во всех ситуациях, требующих большой прочности и надежности соединения радиоэлементов, компонентов микросхем. Им можно паять провода, защищенные оболочкой из поливинилхлорида.

Оловянно-свинцовый припой, содержащий равные доли двух металлов, обозначается как ПОС-50. Он плавится при температуре 222 ℃. Применим во всех ситуациях, где может использоваться ПОС-61.

Отличие сводится к тому, что данный припой имеет более высокую температуру плавления. Если контакт может нагреваться это качество будет полезным.

Швы, для которых велика вероятность нагрева до еще более высоких температур, следует паять посредством припоя ПОС-40. Температура плавления оловянно-свинцового сплава, содержащего от 39 % до 41 % олова, составляет 238 °С.

Обращаем внимание на то, что представленные показатели характерны для окончательного плавления сплава. Начинается процесс при несколько более низких температурах.

Сплав предназначен для работы с проводами, деталями из разных металлов. Образующийся шов имеет меньший запас прочности, чем соединения, полученные сплавами с большей массовой долей олова. Припой используют для получения соединений, не подвергающихся большой механической нагрузке.

Еще большую температуру окончательного расплавления имеет сплав ПОС-30. Она равна 256 ℃.

Этот оловянно-свинцовый припой используется для пайки швов, не подлежащих нагрузке, из медных и стальных материалов.

Припой ПОС-18 окончательно расплавляется при 277 ℃. Образующийся шов имеет небольшую механическую устойчивость.

Представленный оловянно-свинцовый сплав можно применять для лужения, пайки ненагружаемых медных деталей, изделий из оцинкованного железа.

Оловянно-свинцовый сплав, содержащий всего 10 % олова, имеет максимальную в этом ряду температуру плавления, равную 299 ℃, и минимальную прочность.

ПОС-10 может использоваться для пайки, лужения контактов на поверхности приборов реле. ГОСТ позволяет применять состав для обработки контрольных точек в топках паровозов. В настоящее время паровозы остались уже только в музеях, иногда их приходится ремонтировать, реставрировать.

Температура плавления припоев и легкоплавких сплавов

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.

Группа специальных сплавов

При добавлении в состав металлических композиций в небольших количествах сурьмы значительно увеличивается прочность шовных соединений.

Материал обозначается маркировкой «ПОСсу», имеет температуры плавления от 189 ℃ (у состава со следовым содержанием сурьмы) до 270 ℃ (у припоя с содержанием сурьмы, достигающим 4 %, в некоторых даже 6 %).

Материалы первой подгруппы с концентрацией добавки, измеряющейся в сотых долях процента – это малосурьмянистые марки.

Такие припои применяются в авиа- и автомобилестроении, при производстве холодильного оборудования, пищевой посуды, подлежащей последующему лужению.

Металлические оловянно-свинцовые композиции с концентрацией сурьмы от 1,5 % до 6 % называются сурьмянистыми. Они рекомендованы к применению в электролампах, трубчатых радиаторах, белой жести.

Прибавка сурьмы удешевляет оловянно-свинцовый материал, но спаивание происходит сложнее. Незначительное изменение оловянно-свинцового композита заметно уменьшает смачивающие способности расплава. Работать с этим расходным материалом могут только профессионалы.

Таблица 2. Сурьмянистые припои

Заметно понижает температуру плавления оловянно-свинцовых припоев добавка кадмия. Например, сплав ПОСК-50-18, содержащий от 49 % до 51 % олова, от 17 % до 19 % кадмия имеет температуру плавления 145 ℃.

Это удобное в работе качество, вдвойне приятное тем, что образующиеся швы имеют большую механическую прочность. Оловянно-свинцовые припои с кадмием применяют при работе с металлизированной и керамической продукцией.

Вопрос о применении расходного материала решается с учетом конкретной производственной ситуации.

Именные сплавы

К оловянно-свинцовым композициям условно можно отнести сплавы, носящие имена ученых-разработчиков. Низкую температуру плавления, всего 94 ℃ имеет эвтектический сплав Розе.

В его составе содержится 50 % висмута. Остальную часть массы приблизительно в равных долях занимают олово и свинец. Материал используется для работы с медью, изготовления элементов автоматики с фиксированной эксплуатационной температурой.

Еще меньшую температуру плавления имеет оловянно-свинцовый припой Вуда. Она равна 68,5 ℃. Материал содержит 50 % висмута, 25 % свинца, а остальную массовую часть поровну составляют олово и кадмий. Применяют при изготовлении датчиков противопожарной сигнализации, прецизионной техники.

Сплав Д, Арсе содержит около 10 % олова, остальные 90 % составляют висмут и свинец в равных долях. Материал имеет температуру плавления 79 ℃. Применяется для спаивания легкоплавких металлов.