Температура плавления припоя: особенности и виды припоев

Основные свойства сплава

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.

https://www.youtube.com/watch?v=X5qulK9xec0

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.

Что главнее в работе паяльщика: инструмент или материал? Важным является все: и паяльник, и припой, и флюс. Многообразие паяльников связано с объектом пайки. Массивные детали прогревают мощными паяльниками, а микроскопические схемы чипов — маломощными. Профессиональные паяльщики применяют несколько видов этих нагревательных инструментов.

Классификация паяльников по мощности:

• Паяльник с нихромовой вставкой мощностью 25 ватт — это обычный хозяйственный инструмент, которым пользовались умельцы, радиолюбители, электронщики. Популярны они и по сей день, довольно дешёвые, служат до 10 лет. Металлическая вставка в виде медного прута, кончик которого срезан под 60 градусов. Применяется в 90% случаях, которые возникают в хозяйственных ситуациях, даже многие ремонтные мастерские ими пользуются.
• Второй вид — это более мощный с нагревателем в 40 ватт и нихромовой вставкой, в два раза тяжелее и больше своего собрата в 25 ватт. Применяется для более сложных работ. Жало заточено под клин, похоже на отвёртку, но применять его для завинчивания шурупов нельзя. Такая заточка сделана для удобства пайки массивных деталей, для прогрева до 190 С. Используют их профессионалы, для домашнего использования не рекомендуется.
• Третий вид — это газовый паяльник, три в одном. Сам паяльник с медным сердечником, заточенным под иглу. Вторая функция — фен, способный прогреть объект до 600 градусов. Газовая горелка- в этом случае меняется насадка, инструмент выполняет функции горелки на газу, прогревает детали до температуры 1300 градусов.
• Четвёртый тип — это современный керамический паяльник. Чемпион по сравнению со всеми представленными инструментами. Имеет очень тонкое жало, способное паять миллиметровые точки, применяется для выполнения очень точных работ. Мощность — 100 ватт. Комплектуется паяльной станцией с диапазоном температур от 200 до 480 градусов. Среди специалистов используется как универсальный инструмент.

Рассматривая то, при какой температуре плавится олово для пайки, следует учитывать, что учитывается не только этот показатель. Материалы, применяемые при пайке, характеризуются нижеприведенными свойствами:

1. Смачиваемость. Для обеспечения качественного соединения применяемый сплав должен обладать высоким показателем смачиваемости. Под этим понятием подразумевается повышение надежности связи между молекулами твердых материалов. При высоком рассматриваемом показателе расплавленное вещество расходится по поверхности, заполняя все полости.
2. Электропроводность. В большинстве случаев сплавы для пайки применяются при получении различных микросхем. При высокое электрической проводимости получаемое соединение не создает дополнительного сопротивления во время работы. При слишком низком показателе проводимости или высоком сопротивление создаваемые контакты начинают нагреваться.
3. Температура плавления. Основными критерием при выборе сплава можно назвать то, что он должен плавится при намного меньшей температуре, чем соединяемые металлы. При этом температура плавления оловянного припоя будет существенно отличаться от соответствующего показателя другого припоя. Один и тот же сплав может плавиться при различной температуре, все зависит от химического состава. Наличие примесей становится причиной повышения или понижения плавкости. Температура плавления припоя ПОС-40 238 градусов Цельсия. Есть и тугоплавкие припои, для нагрева которых требуется специальный прибор.

Важно учитывать то, при какой температуре плавится оловянно – свинцовый или иной припой. Это связано с тем, что при нагреве основного материала до критических значений происходит перестроение структуры, и он меняет свои основные эксплуатационные качества.

Основные свойства сплава

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.

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.

Характеристики ПОС-61

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.

Припой — это смесь олова, свинца и канифоли. Рынок предлагает припои для каждого металла и его сплавов. Наиболее востребован сплав на базе олова. Температура плавления олова ПОС-60 составляет 232 градуса.

Технические характеристики припоя ПОС-61:

• Металлическое олово — 61%.
• Свинец — 38%.
• Канифоль — 1,0%.

Представляет собой трубочку толщиной 2 миллиметра, наполненную канифолью. Продаётся на вес. Фасуется в рулон. На этикетке крепится инструкция с маркировкой, где указан диаметр трубочки, процентный состав компонентов и вес.

Паяние меди, стали и алюминия

Алюминий и его сплавы – материалы, с которыми работать сложно. Низкотемпературная пайка алюминия усложняется наличием тугоплавкого поверхностного слоя оксидов.

Помочь могли бы активные флюсы, но их применение чревато усиленным образованием продуктов коррозии на месте шва. Разработаны специальные технологические приемы проведения спаивания по предварительно нанесенным покрытиям.

Помимо этого для алюминия используют низкотемпературные составы с добавками дорогостоящего галлия.

Высокотемпературную пайку проводят посредством применения высокотемпературных припоев на основе алюминия с добавками меди, цинка, кремния.

Чаще всего для спаивания алюминиевых деталей используют составы 34А, а также силумин. Для каждого из этих припоев предназначен соответствующий флюс. Припой 34А способствует образованию шва, устойчивого при 525 ℃.

Высокотемпературная припойная масса из алюминия и кремния позволяет получить соединение, выдерживающее 577 ℃. При проведении работы применяют флюсы, сделанные из хлоридов щелочных металлов. Прочность образованных швов не всегда соответствует требованиям производства.

При необходимости получения соединений высокой термической и коррозионной стойкости пайку проводят в глубоком вакууме в окружении паров магния.

Процесс выполняется без флюсов по сложной технологии. В качестве припоя применяют силумин. Полученный таким методом шов выдерживает значительные нагрузки.

Медь не требует никаких особенных условий, специального флюса и высокой квалификации паяльщика. Медь хорошо прогревается благодаря высокому коэффициенту теплопроводности. У неё не образуется плотной окисной плёнки, как у алюминия под воздействием кислорода воздуха. Поверхность очищается от окисла без применения химических препаратов. Технологический процесс пайки выглядит следующим образом:

• тщательно зачистить поверхность наждачной бумагой до яркого металлического блеска;
• место соединения деталей покрыть флюсом — кислота для пайки цинк, хлор;
• выдержать температуру пайки 200 градусов.

Впоследствии выполняется следующий перечень операций:

• поверхность зачистить напильником или наждачной шкуркой;
• нанести хлористый цинк в качестве флюса;
• разогреть область паяния до температуры 200 градусов;
• наложить ПОС-61;
• греть паяльником до жидкого состояния олова.

Алюминий — металл, который трудно паяется. Умельцы пытаются паять холодной пайкой. Это бредовая идея, алюминий таким методом не паяется.

Процесс выглядит следующим образом: поверхность тщательно зачистить, слегка протереть ветошью с каплей масла, хорошо прогреть паяльником и приложить припой ПОС-60 с температурой плавления олова 230 градусов. Олово тонкой плёнкой растекается и соединяется с металлом.

Низкотемпературная группа

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.

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.

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.

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.

Работа с титаном

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.