Свойства
Стоит отметить, что от того при какой температуре плавится припой зависят многие его свойства. Это обусловлено составом, ведь если в него входят тугоплавкие металлы, которые в своем чистом виде имеют высокую прочность, то и при добавлении в сплав они сохраняют эти качества, пусть и не в полной мере.
Таким образом, прямая зависимость прочности соединения от точки расплавления практически всегда оказывается верной. Простым примером является , который является одним из самых легкоплавких вариантов. На практике он оказывается очень хрупким и может треснуть или слететь от небольших температурных воздействий.
Здесь же наблюдается зависимость с тем, какую температуру будет выдерживать полученное соединение. Температура плавления припоя должна быть меньше, чем у основного металла, иначе это был бы уже процесс сварки. Пайка сама происходит при высокой температуре, соответственно и соединение будет лучше сопротивляться такому воздействию.
Температура плавления
Температура плавления мягких припоев хоть и не превышает 300 градусов, тогда как в твердых марках разброс намного больше, то все равно, даже в этом случае получается разница более чем в три раза. Таким образом, стоит подбирать инструменты для температурной обработки, которые бы имели ту мощность, что требуется для достижения нужных параметров.
Более высокая или низкая температура может оказаться неподходящей, так что это может стать одной из причин, . Отклонение при выборе температурного режима допускается в небольших пределах, около 10-20 градусов Цельсия, причем желательно в более высокую сторону. Ведь далеко не всегда есть возможность точно выставить рабочие параметры, особенно на простых паяльниках.
Возможность безвредного повышения температуры инструмента обуславливается тем, что у припоя есть первоначальная точка плавления, когда он из твердого перетекает в жидкое. В это время жидкость получается относительно вязкой и достаточно пластичной для применения. Далее следует вторая точка плавления, когда материал уже становится максимально жидким. Здесь уже сложнее работать, так что выбор режима должен быть как раз между этими двумя показателями.
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.
После литья оловянно-свинцовые сплавы находятся в неравновесном состоянии. Большая скорость диффузии элемента сплава при нормальной и немного выше температуре приводит к тому, что при исследовании механических средств припоев после старения всегда наблюдается стадия перестаривания (которую практически можно не учитывать).
Припой на основе Pb—Sn, а также паянные ими соединения под нагрузкой изменяют свои размеры («ползут») даже при нормальной температуре. Ползучесть этих припоев и паянных ими соединений зависит от условий кристаллизации припоев, их состава, а также от состава основного металла. Крупнозернистые припои (как и другие сплавы) обладают большей сопротивляемостью ползучести, чем мелкозернистые.
К недостаткам припоя ПОС 40 относится сравнительно широкий температурный интервал кристаллизации, что снижает производительность процесса пайки из-за большой длительности затвердевания шва.
Припой ПОСВ 50 применяют для пайки узлов, подвергаемых термоударам.
Для повышения смачивания меди и ее сплавов припоями ПОС 61 и ПОС 40, торможения роста прослойки фазы (Cu 6 Sn 5) и увеличения прочности паянных соединений в них был введен высокоактивный по отношению к олову и свинцу элемент магний.
Магний имеет более высокое химическое сродство с медью, чем с оловом и свинцом, и при содержании (0,15—0,9%)Mg по границе шва с паяемым металлом образуются весьма тонкие прослойки химического соединения Mg 2 Cu, тормозящие рост прослойки C 6 Sn 5 n-фаза), а в шве образуются включения Mg 2 Sn 4 и Mg 2 Pb, упрочняющие шов и измельчающие его структуру.
Установлено, что при введении в припои системы Sn—Рb с содержанием 40, 63 и 90 % Sn никеля в виде порошка с чистотой 99,94 при температуре 1550 °С в количестве 1, 3, 5, 10 и 15 % (при нагреве в кварцевых ампулах) сопротивление срезу соединений, паянных припоем Рb —63 % Sn —10 % Ni, возрастает в 1,5 раза по сравнению с соединениями, паянными припоями, не содержащими никеля, и составляет 45 МПа.
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.
Итак, мы выяснили, какие существуют припои, и какой из них лучше использовать в разных случаях.
Классификация припоев
На сегодняшний день можно говорить о разнообразных типах припоев. Причем в основе их деления может лежать все что угодно
, начиная от внешнего вида и заканчивая его элементами в составе.
Итак, пос бывает разным по своему внешнему виду:
- Гранулы.
- Прутики.
- Проволоки.
- Порошки.
- Фольга.
Кроме такого деления, существует еще классификация пос по тому, какую температуру используют при плавлении и каков предел прочности при растяжении.
Все припои делят на три типа:
- Мягкие.
- Твердые.
- Полутвердые.
Итак, первый вид требует температуру до трехсот градусов, а предел прочности ограничивается — 16-100 МПа. Твердые начинают свой процесс плавления при температуре выше трехсот градусов, а границы растяжимости прочности — 100-500 МПа.
К мягким относятся те, которые еще имеют и следующее количество содержания олова: от 10 до 90 процентов. Остальные проценты в этих смесях составляет свинец. По-другому распределяется состав в твердых припоях. Так, они обычно медно-цинковые и серебряные
, в которых есть еще и другие добавки.
К полутвердым относятся те, в которых процесс плавления происходит при 4000 градусах. Чаще всего эту группу соединяют с мягкими. Появляются сейчас и новые виды, например, бессвинцовые, которые позволяют говорить о чистоте экологии.
Использование припоев
Остановимся подробнее на том, как происходит сам процесс использования пос. Начинают всего с того, что и место соединения, и сам припой нагревают до определенной температуры. Сам процесс начинается после того, как припой достигнет определенной температуры, ведь известно, что ему необходимы для плавления температурные градусы ниже, чем для металла, из которого изготовлены изделия.
Это позволяет припою плавиться, а металл остаются в своем прежнем состоянии, то есть твердым. При уже небольшой температуре на месте соединения пос и твердого металла, который не поддается плавлению, оставаясь в твердом состоянии, начинаются самые разнообразные процессы физико-химического свойства.
Припой начинает смазывать металл, а потом при той же температуре еще начинает и растекаться, заполняя все зазоры. Доказано, что при таком процессе, который происходит при определенной невысокой температуре, компоненты пос диффундируют в основной металл
, а затем уже сам этот основной металл и растворяется в припое.
Таким путем и при установленной температуре образуется промежуточная прослойка. Задача этой прослойки соединить все детали в одно
, как только пройдет процесс застывания. Чтобы все прошло успешно, необходимо учитывать физико-химические свойства соединяемых металлов.
Так как припоев много, то стоит правильно выбирать их марки. Например, учитывать температуру, при которой происходит процесс плавления, устойчивость к коррозиям, а также стоимость имеет не последнее значение.
Если необходимо соединить при помощи пос какие–то части, которые проводят ток, то здесь обращают внимание и на удельную проводимость самого припоя. Есть припои, которым необходима очень низкая температура и они отлично подходят для работы с изделиями сложной формы.
Система обозначение припоев
Уже в названии марки можно определить и то, что это такое. Ведь любой сплав должен начинаться с буквы «П», подчеркивая то, что он может подвергаться процессу плавления. Цифра указывается на содержание компонентов.
Когда необходимо надежно скрепить между собой различные твердые соединения, то чаще всего для этого выбирается пайка. Этот процесс широко распространен во многих областях промышленности. Приходится паять и домашним мастерам.
Эта операция выручает не только тогда, когда вышел из строя телевизор или компьютер, и для восстановления необходимо заменить сгоревшую микросхему либо чип. С помощью данного процесса восстанавливают холодильное оборудование, промышленные системы. Пайка помогает в том случае, если необходимо получить герметичное соединение.
К тому же некоторые материалы попросту нельзя соединить по-другому. Алюминий, медь, латунь не удастся соединить методом сварки. Для того чтобы получить качественное и надежное, а также герметичное соединение, нужно иметь не только хорошее оборудование и специальные навыки, но и подходящие расходные материалы — припои и
Сплавы припоев и виды флюса выбирают в зависимости от материалов, с которыми придется работать. К примеру, при операции с алюминиевыми изделиями необходим другой флюс, отличный от того, что подходит для меди или серебра. Ниже мы рассмотрим основные характеристики каждого из них и выберем наиболее оптимальный вариант для работы.
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.
