Клинические и лабораторные этапы изготовления паяных мостовидных протезов. часть 4
Паяние деталей из стали и золотых сплавов ведется несколько различно. Трудность паяния стали заключается в усиленном образовании окислов и слабой текучести припоя для нержавеющей стали. Поэтому после сушки и прогрева гипса места спайки вновь промазывают бурой и приступают к равномерному прогреву всего протеза паяльным аппаратом.
Припои. Паяние. Это соединение металлических частей при нагревании посредством родственного сплава с более низкой температурой плавления. Связывающий сплав называется припоем. Припой должен отвечать следующим требованиям:
- иметь температуру плавления ниже, чем у основных металлов на 50—100°С, иметь узкий температурный интервал плавления,
- хорошо флюсовать (разливаться), то есть быть жидкотекучим,
- хорошо диффундировать (проникать в толщу основных металлов),
- быть устойчивым против действия кислот и щелочей,
- подходить к основным металлам по цвету,
- обладать стойкостью против коррозии в полости рта,
- по физико-механическим свойствам приближаться к спаиваемым металлам,
- не давать раковин и пузырей (они образуются не только при несоблюдении правил паяния, но и вследствие интенсивного испарения летучих компонентов припоя).
Процесс паяния не следует путать со сваркой каких-либо металлических деталей.
Сваркой называется технологический процесс неразъемного соединения металлических деталей при высокой температуре. Для обеспечения прочности свариваемые места доводятся до высокопластического или расплавленного состояния. В промышленности применяется в основном электросварка, которая может осуществляться дуговым или контактным методом. При дуговой сварке нагрев происходит за счет дугового разряда. Максимальная температура при этом достигает 6000°С.
Нагрев при контактной сварке вызывается джоулевым теплом, выделяемым при прохождении тока низкого напряжения и большой силы через свариваемое место. Контактная сварка производится на специальных машинах и эффективна при массовом производстве однотипных изделий.
Применяемая в машиностроении тазовая «сварка» с электродом представляет собой высокотемпературное паяние. В зубопротезной технике производится главным образом паяние, то есть — технологический процесс соединения металлических деталей в нагретом состоянии посредством другого металла или чаще сплава, расплавляемого между деталями. Паяние осуществляется при применении высокой температуры или погружением соединяемых деталей в расплавленный соединяющий металл с флюсом. При использовании тугоплавкого сплава нагрев производят горелкой или другим источником тепла.
В зависимости от прочности и температуры плавления припои делятся на мягкие и твердые. Мягкие припои представляют собой эвтектические, то есть плавящиеся при низкой температуре, сплавы олова и свинца. Оловянные припои имеют температуру плавления от 180 до 230°С и применяются, главным образом, для паяния меди и латуни. В зубопротезной технике мягкие припои находят ограниченное применение для изделий, используемых вне полости рта, в условиях, когда место спайки не подвергается большому давлению. Прочность на разрыв мягких пропоев не превышает 20/40 МН/м2. Твердые припои имеют температуру плавления от 500 до 1100°С.
В идеальном случае состав припоя должен быть тождественен составу соединяемых металлов. Однако, соблюсти это условие не представляется возможным, так как во избежание расплавления соединяемых металлических частей припой должен плавиться при более низкой температуре, а это значит, что состав его должен быть иным. Для понижения температуры плавлення заботехнических припоев вводят присадки металлов с низкой температурой плавления (цинк, олово, кадмий). Для компенсации белящего влияния этих металлов в припое увеличивают процент содержания аболее темных металлов. Для получения прочного шва при паянии требуется, чтобы температура припоя незначительно отличалась от температуры плавления основного металла. Разность температур 50— 100С позволяет избежать случайного расплавления спаиваемых частей. Кроме того, плавление припоя должно протекать в узком интервале температур. В противном случае при паянии часть припоя расплавляется, а часть находится в полурасплавленнос состоянии. Это ухудшает качество спая, так как для достижения необходимой текучести всей массы припоя часть его необходимо перегревать, а перегрев приводит к окислению низкоплавящихся компонентов сплава и шов бывает непрочным и пористым.
Исключительно важное значение имеет величина поверхностного натяжения расплавленного припоя. Поверхностное натяжение должно быть таким, чтобы расплавленный припой мог заполнять самые незначительные промежутки между спаиваемыми частями. При большой величине поверхностного натяжения на спаиваемой поверхности образуется шарик припоя и шов получается плохим. Текучесть припоя увеличивается с повышением температуры,
поэтому расплавленный припой течет в направлении от холодных частей к горячим. Этим свойством пользуются в процессе паяния, передвигая пламя вдоль места спайки. Припой течет за пламенем и получается хороший шов. Иногда припои кладут на одну часть спаиваемой детали и ведут нагрев другой, встык приложенной детали. Перетекая к детали, припой заполняет щель и детали спаиваются. Для получения высокой прочности расстояние между деталями должно быть минимальным, чтобы между ними затвердевало небольшое количество припоя.
При пайке соединяемые части остаются твердыми, а припой расплавляется. Соединение происходит вследствие смачивания, взаимного растворения и диффузии припоя и основного металла в зоне шва. Смачивание припоем поверхности сединяемых частей зависит от величины поверхностной энергии на границах раздела фаз металл-припой и металл-флюс.
Состав и свойства серебряных припоев. В стоматологии серебряные припои используются для соединения деталей из нержавеющей стали. Эти припои представляют собой сплавы, основными компонентами которых являются серебро (10-80%), медь (15—50%) и цинк (4-35%). Иногда серебряные сплавы содержат кадмий, фосфор и другие маталлы. Для паяния деталей из нержавеющей стали желательно применять припой, имеющий точку плавления не выше 700С, так как при более высокой температуре происходит выпадение карбидов хрома, что снижает сопротивляемость конструкции коррозии. Низкий диапазон температур плавления серебряных припоев достигается образованием эвтектического сплава Ag-Cu. Диапазон температур для припоев этого типа составляет от 625 до 845°С, что намного ниже, чем у золотых припоев. Детали из кобальтохромовых сплавов хорошо поддаются паянию при помощи золотого сплава 750-й пробы. Зуботехнические припои поставляются в виде стружки, стержней, проволоки и кубиков с ребром длиной 1 мм. Проволока удобна для ортодонтических работ. Для спаивания деталей рекомендуются припои в виде кубиков, общих работ — полоски.
В качестве образца приводим краткую инструкциюв отношении наиболее часто применяемой марки припоя для нержавеющей стали.
Инструкция по применению проволоки припоя серебряного марки пср-мц-37 стоматологической.
ППСС-37 предназначена для пайки деталей зубных протезов, изготавливаемых из нержавеющей стали и кобальто-хромового сплава. Проволока припоя серебряного марки ПСрМЦ-37 стоматологическая (ППСС-37) выпускается в мотках массой (40,0 0,4)г диаметром 1,0 мм. Проволока ППСС-37 представляет собой сплав серебра (37%), марганца, цинка, никеля, магния, кадмия и меди. Температура текучести (705±10)°С.
Состав и свойства припоев для золотых сплавов. Припои для соединения деталей из лигатурного золота представляют собой сплавы с различным содержанием золота (80—30%), серебра и меди, кадмия с небольшими добавками цинка и олова, которые модифицируют температуры плавления и текучесть. Содержание цинка и олова в припоях стабильно и меняется в пределах 2—4%. Количество золота в припое должно быть достаточным для обеспечения необходимой коррозионной устойчивости в полости рта. Минимальное содержание золота в сплаве должно быть не менее 60% (для некоторых составов допускается не ниже 58%). Цинк, олово и кадмий понижают точку плавления припоя за счет образования эвтектического сплава. С увеличением содержания меди, серебра и олова на 1%, температура, при которой начинается плавление, снижается на 10—15°С, а температура, при которой оно заканчивается, — на 24°С. В качестве раскислителя в припои вводят небольшое количество фосфора для предотвращения окисления припоя при плавлении.
Белящее влияние цинка и олова компенсируют увеличением содержания меди. Однако, количество меди нельзя резко увеличивать, так как при этом понижается текучесть припоя и увеличивается его температурный интервал плавления. Серебро, входящее в состав припоя, повышает его текучесть и снижает температурный интервал плавления припоя. Припои, содержащие больше серебра, чем меди, лучше смачивают поверхность спаиваемых деталей и их считают более удобными в работе.
Для каждой пробы лигатурного золота применяют специальный припой, подобранный по цвету и температуре плавления. Цвет припоя подбирают, варьируя содержание в нем меди, серебра и остальных компонентов. При увеличении содержания меди цвет припоя изменяется до ярко-желтого, при увеличении содержания серебра до бледно-желтого. Изменяя содержание меди и серебра, необходимо контролировать свойства припоя, так как при большом содержании меди получаются «липкие» припои (плавятся, но не текут).
Необходимо иметь в виду, что проба припоя не всегда соответствует содержанию в нем золота. Припой, как правило, имеет более низкую пробу, чем лигатурное золото, идущее для изготовления протеза. При паянии развивается высокая температура и кадмий, температура кипения которого 778°С, частично улетучивается. За счет понижения его содержания проба припоя повышается.
Припой для золота можно легко получить в условиях лаборатории, добавив к сплаву цинка и кадмия, для понижения температуры плавления. Припой для каждого сплава золота подбирают с таким расчетом, чтоб он был ниже основного сплава не больше, чем на 6—8 проб.
Поверхности металлов, подлежащие спайке, должны быть тщательно очищены от окислов и загрязнений, для чего чаще всего применяют механический способ очистки: опиливание, зачистку карборундовым камнем или наждачной бумагой.
Так как паяние происходит при нагревании открытым пламенем, на поверхности спаиваемых металлов может образоваться пленка окислов, которая не позволит продиффундировать припою. Особенно усиленно образуется эта пленка у сплавов с хромом, отличающихся высокой способностью пассивироваться, то есть покрываться окисной пленкой. Поэтому в процессе паяния необходимо не только расплавить припой и заставить его разлиться по спаиваемым поверхностям, но и что главное, не допустить образования окисной пленки к моменту достижения рабочей температуры в спаиваемых деталях. Это достигается применением различных паяльных веществ, или флюсов. Наибольшее распространение получила бура. При нагревании бура поглощает кислород, препятствуя тем самым попаданию его к металлу и образованию на его поверхности окислов. Кроме того бура способствует флюсованию припоя.
Флюсы. Флюсы растворяют окисную пленку и в виде шлака всплывают на поверхность припоя, который вследствие этого получает хороший контакт с поверхностью основного металла. Флюсы должны обладать следующими свойствами:
- иметь температуру плавления ниже температуры плавления припоя;
- легко течь по металлической поверхности;
- разлагаться и улетучиваться при температуре плавления;
- удалять все окислы, образующиеся на поверхности металла при паянии;
- легко удаляться с поверхности после окончания паяния.
Основным компонентом всех флюсов при паянии с применением твердых припоев является борат натрия, который растворяет окисную пленку металла. Борат натрия при температуре 400°С теряет все десять молекул воды, а при 74 ГС плавится, превращаясь в прозрачную хрупкую массу, которая растворяет окисную пленку. Техника нанесения буры на спаиваемые поверхности может быть различной. Надо применять медленный нагрев, при котором не наблюдается бурной дегидратации. Необходимо избегать перегрева, так как при этом бура образует шарики, трудно удаляемые с поверхности по окончании пайки.
Флюс можно применять в виде порошка или пасты. Пасту готовят смешиванием порошкообразного флюса со спиртом или петралатумом . Флюс указанного состава МОЖЕТ быть не только при пайке, но и при литье. Наиболее эффективным флюсом при паянии нержавеющей стали является смесь равных частей борной кислоты и фторида калия. При паянии нержавеющих сталей флюсы не столько растворяют окисную пленку, сколько предотвращают ее образование.
Большое значение имеет и техника у процесса паяния. Вначале нагревают наиболее толстостенные детали, а затем и остальные участки. Бура при этом вспенивается и при повышении температуры оседает, становясь стекловидной. Тогда на место пайки кладут припой, пламенем сильнее нагревают толстостенные участки и только после этого пламя переводят на припой и расплавляют его. Часто припой для стали, расплавляясь, собирается в каплю из-за сильного поверхностного натяжения. Чтобы припой растекся по cпаиваемой поверхности, каплю припоя раздавливают — стальной проволокой с петлей на концедля удержания ее. При надавливании припой растекается по поверхностям. Необходимо следить, чтобы он попал на все участки поверхности; если какой-нибудь участок не покрыт припоем наблюдается его растекания, усиливают нагрев, добавляют припоя и «поводком» перераспределяют его на всю спаиваемую поверхность. Крапкая спайка может быть только тогда, когда видно припой хорошо разлился между спаиваемыми поверхностями. Только после этого переходят к спайке других участков.
Необходимо помнить, что сильный перегрев и большое количество буры могут вызвать кипение припоя и образование пор в месте спая. Чтобы избежать этого, не следует держать пламя в одном месте, а по окончании плавки его следует убирать постепенно, медленно отводя пистолет присыпав при этом место спая бурой.
Закончив спайку всех участков, спаянный протез вместе с гипсовой массой опускают в воду, проведя тем самым термическую обработку всего металлического протеза. При этом одновременно протез очищается от гипсовой массы.
Золотые детали спаиваются несколько легче, как на их поверхности не образуется окисной пленки. Но спайку следует вести осторожно, опасаясь расплавить различные участки деталей протеза, так как разница между температурой плавления золотого сплава и припоя незначительная (130-150С). Особенно легко расплавить тонкостенные участки протеза, поэтому спайку золотых деталей ведут очень осторожно, начиная прогрев только с толстостенных деталей. Когда они станут темно-красного цвета, на место спайки кладут несколько мелко нарезанныхкусочков припоя, присыпают их бурой, переводят на них пламя пистолета. Пламя не задерживают на одном участке, а все время слегка перемещают, слабо покачивая пистолет. Вся сила огня должна быть направлена не на тонкостенный участок (например, коронку), а на участок с большей массой металла (литой зуб). После того как припой разлился по спаиваемым поверхностям, необходимо перевести пламя на толстостенный участок и приступить к пайке других поверхностей.
Если при осмотре шва окажется, что припой не заполнил полностью всего пространства, добавляют еще кусочек припоя и расплавляют его. Если припой перемещается при расплавлении лишь на одну из поверхностей, это свидетельствует о том, что другая поверхность плохо прогрета. Поэтому не следует добавлять новой порции припоя, а необходимо равномерно весь гипсовый блок и все части спаиваемого протеза.
Прочность большинства припоев уступает прочности соединяемых металлов. Это обусловлено тем, что состав припоев составляется с учетом в основном точки его плавления и коррозийной стойкости. Однако, прочность шва за счет диффузионного слоя может быть выше прочности чистого припоя. Для предотвращения растекания припоя по поверхности детали на 2—2,5 мм от места спая при помощи карандаша наносят слой графита. Получение прочного шва, таким образом, требует минимальной толщины припоя. При паянии пламя не должно быть напрвлено на соединяемые части, пока не расплавится флюс и не образуется ровный слой по всей поверхности. Пайку надо проводить возможно быстро, избегая как перегрева, так и недогрева.
Перегрев вызывает:
- появление раковин в припое
- прогорание тонких участков детали;
- потерю прочности шва;
- избыточное размягчение и ослабление деталей из золотого сплава;
- выпадение карбидов хрома при пайке деталей из нержавеющей стали.
При недогреве наблюдаются раковины, включения в шве, ослабленный шов. Плохо разогретый припой сворачивается в шарики.
Во время пайки иногда надо предохранять участки деталей попадания припоя. В этом случае используют антифлюс, который наносят на защищаемую поверхность до наложения флюса и припоя. Припой не затекает на участки, обрабатываемые графитом (используют грифель карандаша). В качестве антифлюса можно применять окись железа или мел в спиртовой или водной суспензии. Их используют при температурном нагреве, если есть опасение, что графит выгорит. Если спаиваемые части соприкасаются, то в результате расширения наблюдается эффект отталкивания. При пайке в форме рекомендуется зазор между деталями примерно 0,13 мм, однако, точных рекомендаций нет.
После спайки мостовидный протез опускают вместе с формовочной массой в холодную воду, очищают от огнеупорной массы, отбеливают и промывают в кипящей воде. Затем отделывают места спая, снимая излишки припоя, и приступают к шлифовке и полировке.
Отбеливание. При любом нагревании металла открытым пламенем, под действием кислорода он покрывается окисной пленкой — окалиной. Для продолжения работы с таким металлом необходимо удалить с его поверхности окалину. Вещества, служащие для растворения окалины, называются отбе-лами, а сам процесс снятия окалиныдг отбеливанием.
Отбелы подбирают с таким расчетом, чтобы они хорошо растворяли окалину и как можно меньше действовали на металл. Если невозможно получить такой отбел, ограничивают время нахождения в нем металла с тем, чтобы отбел подействовал только на окалину. К таким относятся отбелы для нержавеющей стали. Отбелом для серебряных сплавов служит 96° спирт, отбелом для золотых сплавов — 40—50% раствор соляной кислоты. Для отбеливания в этих растворах изделие нагревают докрасна и опускают в раствор.
Нержавеющая сталь при термической обработке покрывается толстым слоем окисной пленки, для снятия которой требуются сильные химические растворы, состоящие из соляной, серной кислоты. Технику рекомендуется пользоваться одним из этих растворов, знать режим отбеливания и придерживаться его.
Для отбеливания изделие погружают в нагретый до кипения раствор и кипятят около 1 мин. После этого протез извлекают из раствора, промывают в воде и обтирают от окалины. Отбеливание, особенно в растворах №1 и 3, должно проводиться с осторожностью, так как одновременно происходит растворение стали. При составлении растворов следует помнить одно из важных правил техники безопасности: серную кислоту лить в воду, а не наоборот.
После отбеливания и отделки протеза его шлифуют различными кругами, фильцами, жесткими и мягкими щетками. После этого полируют, используя различные пасты в зависимости от материала, из которого изготовлен мостовидный протез.
На этом заканчивается последний лабораторный этап изготовления мостовидного паяного протеза. После полировки протез промывают водой с мылом, затем спиртом и отправляют в клинику для наложения и фиксации протеза в полости рта.
Мягкие припои
Пайка мягкими припоями получила широкое распространение, особенно при
производстве монтажных работ. Наиболее часто применяемые мягкие припои
содержат значительное количество олова.
Таблица 2
| Марка | Химический состав в % | Температура, °C | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| олово | свинец | сурьма | примесей не более | |||||
| медь | висмут | мышьяк | начало | конец | ||||
| ПОС-90 | 90 | 9,62 | 0,15 | 0,08 | 0,1 | 0,05 | 183 | 222 |
| ПОС-40 | 40 | 57,75 | 2,0 | 0,1 | 0,1 | 0,05 | 183 | 230 |
| ПОС-30 | 30 | 67,7 | 2,0 | 0,15 | 0,1 | 0,05 | 183 | 250 |
| ПОС-18 | 18 | 79,2 | 2,5 | 0,15 | 0,1 | 0,05 | 183 | 270 |
При выборе типа припоя необходимо учитывать его особенности и применять
в зависимости от назначения спаиваемых деталей. При пайке деталей, не
допускающих перегрева, используются припои, имеющие низкую температуру
плавления.
Наибольшее применение находит припой марки ПОС-40. Он применяется при
пайке соединительных проводов, сопротивлений, конденсаторов. Припой ПОС-30
используют для пайки экранирующих покрытий, латунных пластинок и других
деталей. Наряду с примеиением стандартных марок находит применение и
припой ПОС-60 (60% олова и 40% свинца).
Мягкие припои изготовляются в виде прутков, болванок, проволоки
(диаметром до 3 мм) и трубок, наполненных флюсом. Технология указанных
припоев без специальных примесей несложна и вполне осуществима в условиях
мастерской: свинец расплавляют в графитовом или металлическом тигле и в
него небольшими частями добавляют олово, содержание которого определяют в
зависимости от марки припоя.
Для пайки различных деталей, не допускающих значительного перегрева,
применяются особо легкоплавкие припои, которые получают добавлением в
свинцово-оловянные припои висмута и кадмия или одного из этих металлов. В
табл. 3 приведены составы некоторых легкоплавких припоев.
Таблица 3
| Химический состав в % | Температура плавления в °С | |||
|---|---|---|---|---|
| олово | свинец | висмут | кадмий | |
| 45 | 45 | 10 | — | 160 |
| 43 | 43 | 14 | — | 155 |
| 40 | 40 | 21 | — | 145 |
| 33 | 33 | 34 | — | 124 |
| 15 | 32 | 53 | — | 96 |
| 13 | 27 | 50 | 10 | 70 |
| 12,5 | 25 | 50 | 12,5 | 66 |
При использовании висмутовых и кадмиевых припоев следует учитывать, что они обладают большой хрупкостью и создают менее прочный спай, чем свинцово-оловянные.
Таблица 4
| Припои | Температура плавления, °С | Коэффициент растекаемости при 260°С на меди с ФКСп | Химический состав | Назначение | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Группа | Марка | Солидус | Ликвидус | |||
| Оловянно-свинцовые | ПОС30 | 183 | 256 | — | 29-30% Sn, 1,5-2% Sb 68-69% Pb | Пайка меди и ее сплавов, оцинкованного и луженного железа, углеродистых и нержавеющих сталей |
| ПОС40 | 183 | 235 | 0,6 | 39-40% Sn, 1,5-2% Sb 58-59% Pb | Пайка и горячее лужение меди и ее сплавов, сталей, различных металлов с покрытиями олова, серебра, никеля, цинка. Пайк деталей и монтажных соединений неответственного назначения. | |
| ПОС61 | 183 | 185 | 1,0 | 59-61% Sn, ≤0,8% Sb 38-40% Pb, 0,314% примеси | Пайка и горячее лужение металлов и металлизированных пластмасс, стекла, радиокерамики и т.п. Для пайки монтажа ручной и групповой | |
| ПОС61А | 183 | 185 | 1,3 | 59-59,5% Sn, 0,8% Sb, 38-40% Pb, 0,25% примеси | То же | |
| ПОС61М | 183 | 185 | 1,3 | 59-61% Sn, ≤0,8% Sb 38-40% Pb, 1,5-2% Cu, 0,4% примеси | Пайка паяльником деталей и монтажа микропроводов | |
| Оловянно-свинцово- сурьмяные | ПОСС4-6 | 245 | 265 | — | 3-4% Sn, 5-6% Sb 90-92% Pb | Пайка и лужение меди и ее сплавов, с повышенной прочностью. |
| ПОСС30-5 | 195 | 202 | — | 29-31% Sn, 5-5,5% Sb 63-66% Pb | Пайка медных, никелевых сплавов нихрома, стали, ковара, серебра, деталей с повышенной прочностью. | |
| Оловянно-свинцово- кадмиевые | ПОСК50 | 142 | 145 | 0,5 | 49-51% Sn, 17-19% Cb 30-34% Pb | Пайка меди и ее сплавов, луженых и серебряных поверхностей. Соединение деталей, чувствительных к перегреву. |
| Оловянно-серебряные | ПСр2,5 | 295 | 305 | — | 5-6% Sn, 2,2-2,8% Ag 91-93% Pb | Пайка меди и ее сплавов, сталей, ковара, деталей с гальваническими покрытиями никеля, серебра при температуре эксплуатации до 200°С |
| ПСр2 | 225 | 235 | 0,7 | 29-31% Sn, 1,7-2,3% Ag 61,5-64,5% Pb 4,5-5,5 Cd | ||
| ПСр1,5 | 265 | 270 | — | 14-16% Sn, 1,5-1,9% Ag 82-85% Pb | ||
| Оловянно-свинцово- серебряные | ПОССр2 | 169 | 173 | — | 57,8-59,8% Sn, ≤0,79% Sb 1,9-2,1% Ag 37,5-39,5% Pb | Пайка и лужение серебряной керамики. Пайка микромодулей. |
| ПОСр3 | 220 | 220 | — | 57,8-59,8% Sn, 2,7-3,3% Ag | Пайка меди и ее сплавов, изделий в вакуумноплотными соединениями | |
| Оловянно-висмутовые | ПОСВ33 | 120 | 130 | 0,7 | 32,4-34,4% Sn, 32,3-34,3% Pb, 32,3-34,3% Bi | Пайка меди и ее сплавов, деталей с покрытиями никелем, оловом, серебром. Применяется для деталей, чувствительных к перегреву, для термопредохранителей, при ступенчатой пайке. |
| ПОСВ50 | 90 | 92 | 0,4 | 24,5-25,5% Sn, 24,5-25,5% Pb, 49-51% Bi | ||
| ПОСВ50К | 66 | 70 | — | 12-13% Sn, 12-13% Cd, 24,5-25,5% Pb, 49-51% Bi | ||
| Оловянно-цинковые | П150А | 150 | 165 | — | 37,5-39,5% Sn, 56,7-58,7% Cd, 2,8-4,8% Zn | Пайка алюминиевых сплавов с медью и её сплавами, с титановыми сплавами; с деталями, покрытыми серебром, никелем, оловом. Применяется также для ультразвукового и бесфлюсового лужения. |
| П170А | 170 | 176 | — | 78-80% Sn, 19-21% Cd, 0,9-1,1% Ag | ||
| П200А | 199 | 210 | — | 89-91% Sn, 9-11% Zn | ||
| П250А | 200 | 250 | — | 79-81% Sn, 19-21% Zn | ||
| П300А | 266 | 310 | — | 59-61% Sn, 39-41% Cd | ||
| Индиевые | ПОСИ30 | 117 | 200 | — | 30% Jn, 42% Sn, 28% Pb | Пайка меди и ее сплавов, деталей с покрытиями никелем, оловом, серебром, золотом, платиной; полупроводниковых приборов. . |
| ПСр3И | 141 | 141 | — | 97% Jn, 3% Ag | ||
| Золотые | ПОСЗл3 | 180 | 215 | — | 57-59% Sn, 3% Au, 38-40% Pb, ≤0,77% Sb | Пайка радиоэлектронных деталей в микромодульном исполнении. |
| Галлиевые | ПГМ | 50 | 50 | — | 65-68% Ga, 32-35% Cu | Пайка меди и ее сплавов. Применяется для самоупрочняющихся соединений и пайки термочувствительных деталей. |
Солидус – температура, ниже которой сплав полностью твердый. Ликвидус – температура, выше которой сплав полностью жидкий. Следовательно при температуре между температурами ликвидус и солидус сплав будет представлять собой «кашу».
Эвтектическим для системы Sn–Pb будет сплав с 61,9% олова, поэтому припой ПОС-61 самую низкую температуру ликвидус. Припой ПОС61 также обладает самой высокой прочностью среди припоев ПОС. Предел прочности при растяжении 6,7 – 7,5 кг/мм2.
Твердые припои
Твердые припои создают высокую прочность шва. В электро- и радиомонтажных работах они используются значительно реже, чем мягкие припои.
Таблица 5
| Марка | Химический состав в % | Температура плавления в оС | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| медь | цинк | примесей не более | |||||
| сурьма | свинец | олово | железо | ||||
| ПМЦ-42 | 40—45 | остальное | 0,1 | 0,5 | 1,6 | 0,5 | 830 |
| Г1МЦ-47 | 45—49 | 0,1 | 0,5 | 1,5 | 0,5 | 850 | |
| ПМЦ-53 | 49-53 | 0,1 | 0,5 | 1,5 | 0,5 | 870 | |
В зависимости от содержания цинка изменяется цвет припоя. Эти припои
применяются для пайки бронзы, латуни, стали и других металлов, имеющих
высокую температуру плавления. Припой ПМЦ-42 применяется при пайке латуни
с содержанием 60—68% меди. Припой ПМЦ-52 применяется при пайке меди и
бронзы.
Медно-цинковые припои изготовляются путем сплавления меди и цинка
в электропечах, в графитовом тигле. По мере расплавления меди в тигель
добавляют цинк, после расплавления цинка добавляется около 0,05% фосфорной
меди. Расплавленный припой разливается в формочки.
Таблица 6
| Марка | Химический состав в % | Температура плавления в оС | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| серебро | медь | цинк | примеси не более | |||
| свинец | всего | |||||
| ПСР-10 | 9,7—10,3 | 52-54 | Остальное | 0,5 | 1,0 | 830 |
| ПСР-12 | 11,7-12,3 | 35-37 | 0,5 | 1,0 | 785 | |
| ПСР-25 | 24,7-25,3 | 39-41 | 0,5 | 1,0 | 765 | |
| ПСР-45 | 44,5-45,5 | 20,5 —30,5 | 0,3 | 0,5 | 720 | |
| ПСР-65 | 64,5-65,5 | 19,5 -—20,5 | 0,3 | 0,5 | 740 | |
| ПСР-70 | 69,5-70,5 | 25,5— 26,5 | 0,3 | 0,5 | 780 | |
Серебряные припои обладают большой прочностью, спаянные ими швы хорошо
изгибаются и легко обрабатываются. Припои ПСР-10 и ПСР-12 применяются для
пайки латуни, содержащей не менее 58% меди, припои ПСР-25 и ПСР-45 — для
пайки меди, бронзы и латуни, припой ПСР-70 с наиболее высоким содержанием
серебра — для пайки волноводов, объемных контуров и т. п.
Таблица 7
| Химический состав в % | Температураплавления воC | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| серебро | медь | цинк | кадмий | фосфор | |
| 20 | 45 | 30 | 5 | 780 | |
| 72 | 18 | — | — | — | 780 |
| 15 | 80 | — | — | 5 | 640 |
| 50 | 15,5 | 16,5 | 18 | — | 630 |
Первый из них применяется для пайки меди, стали, никеля, второй,
обладающий высокой проводимостью,— для пайки проводов; третий может
применяться для пайки меди, но не пригоден для черных металлов; четвертый
припой обладает особой легкоплавкостью, является универсальным для пайки
меди, ее сплавов, никеля, стали.
В ряде случаев в качестве припоя используется технически чистая медь с
температурой плавления 1083°С.
Усталость паяного соединения — время электроники
Паяные соединения в электронных схемах подвергаются условиям, при которых возникают усталость и ползучесть, которые протекают взаимосвязано. Процесс разрушения соединения сложен и в конце концов приводит к отказу.
Любой материал под действием постоянных или повторяющихся механических напряжений «стареет», т.е. разрушается и теряет свои изначальные свойства. Усталость является одной из наиболее вероятных причин разрушения материала, причем она накапливается со временем. Этот эффект проявляется во всех материалах: металлы, полимеры и керамика. Особенно подвержен старению мягкий припой, температура плавления которого не превышает 400°C.
Если для пайки электронных схем используется мягкий оловянно-свинцовый или не содержащий свинец припой, то в качестве причины отказа ввиду отсутствия иных предпосылок называют именно старению припоя. В электронных схемах усталость припоя может быть вызвана не только механическими нагрузками, возникающими, например, при падении устройства, но и перепадом температур, который наблюдается в процессе работы схемы, когда отдельные блоки то включаются, то отключаются. В результате возникают циклические температурные напряжения, поскольку коэффициенты температурного расширения материалов платы, ИС и других компонентов различаются. Данный эффект приводит к температурному старению (в противовес механическому). На рисунке 1 показано расслоение соединения, вызванное температурными перепадами.
Усталость — это прогрессирующее местное разрушение структуры на атомном или более высоком уровне, которое возникает при циклическом воздействии напряжения, когда нагрузка сменяется разгрузкой и наоборот. Усталостное разрушение обычно сопровождается образованием меж- и транскристаллитных трещин, развитие которых идет главным образом в период приложения растягивающих напряжений (см. рис. 2). Склонность металла к усталостному разрушению характеризуется пределом выносливости. Под этим понятием понимают величину максимального напряжения, при котором усталостное разрушение металлов не наступает через установленное количество циклов. При одновременном воздействии на металл переменных напряжений и коррозионной среды число этих циклов уменьшается, т.е. предел усталостной прочности снижается. В отличие от ползучести данный эффект носит местный характер.
Как правило, процесс старения проходит три стадии: возникновение трещины, ее расширение и разлом. Для паяных соединений, обеспечивающих электрический контакт и механическое соединение, механический разлом обычно не является критерием сбоя. Однако из-за разлома увеличивается сопротивление, т.е. меняются электрические свойства соединения. Именно это может стать причиной отказа.
Перед электрическим сбоем часто происходит механическое повреждение. В присутствии коррозионных элементов может произойти коррозионное старение.
Предел выносливости зависит не только от состава припоя, воздействия очень высоких и низких температур, но и других факторов: наличие поверхностных дефектов, бороздок, дырок, остаточного напряжения, пустот или примесей, а также от газопроницаемости. На дефектах или примесных частицах могут скапливаться механические напряжения, начинается местное разрушение. Именно по этой причине нельзя не обращать внимание на дефекты, даже если при испытаниях было выявлено, что они не влияют на характеристики соединения.
На атомном уровне механизм усталости паяного соединения начинается с движения дислокаций (см. рис. 3). Вдоль линии скольжения происходят мелкие разломы.
На микроуровне усталость может быть обусловлена укрупнением зерен. Чем мельче зерна, тем дольше материал не теряет своих свойств. На рисунке 4 показана исходная микроструктура с хорошо распределенными фазами олова и свинца. Во время температурной нагрузки фазы значительно укрупняются за счет расслоения.
При сравнении бессвинцового соединения SAC с SnPb видны четкие свойственные различия их микроструктуры, которая определяет систему дислокаций, характер старения и ухудшения параметров в ответ на различные условия эксплуатации, т.е. усталостную долговечность.
Следует заметить, что напряжения, воздействующие на соединение, на практике имеют случайный характер, а не воздействуют циклически, как часто принимается при ускоренном температурном анализе (ATC). Вследствие этого важно экстраполировать результаты циклического тестирования к поведению при случайных напряжениях. Для бессвинцовых материалов эта задача сложнее.
Ползучесть
Кроме того, для большинства мягких припоев даже при нормальной температуре окружающей среды (298 ±5K) гомологическая температура 1 намного превышает 0,5. Соответственно, существует высокая вероятность проявления ползучести, которая усугубляет общую деградацию свойств и скорее приводит к отказу, поскольку эти два механизма работают взаимосвязано.
Поскольку старение неизбежно, необходимо обеспечить надежность соединения, чтобы ухудшение электрических, механических и температурных свойств не приводило к потере функциональности в течение отведенного срока службы изделия при эксплуатации в приемлемых условиях.
Если не брать во внимание все внешние причины, внутреннее ухудшение паяного соединения в основном обусловлено двумя процессами: старение и ползучесть. Эти эффекты работают вместе. В зависимости от условий эксплуатации и внешней температуры они могут конкурировать, чередоваться или усиливать друг друга. В часто проводимом анализе АТС эти процессы также работают взаимосвязано. Таким образом, ухудшение характеристик можно рассматривать как отягощенная ползучестью усталость или ускоренная усталостью ползучесть.
В то же время этими процессами управляют различные параметры микроструктуры и свойства материала. В отличие от усталости, ползучесть определяется как временная деформация, глобальная и необратимая. В ответ на напряжение в припое возникают мгновенные пластическая и упругая деформации. При длительной деформации может произойти отказ.
Теоретически деформация от времени может происходить при любой температуре выше абсолютного нуля, хотя и с разной скоростью. При низкой температуре деформация из-за ползучести идет очень медленно и не приводит к внезапному разрыву. До области высоких температур напряжение накапливается по логарифмическому закону.
В общем случае на кривой ползучести, характеризующей степень деформации в зависимости от времени) выделяют три участка (см. рис. 5):
– АВ — участок неустановившейся (или затухающей) ползучести (стадия I),
– BC — участок установившейся ползучести, когда деформация идет с постоянной скоростью (стадия II),
– CD — участок ускоренной ползучести (стадия III).
На первой стадии процесс деформации идет очень быстро, после чего замедляется и происходит аналогично самопроизвольной диффузии. Второй этап начинается при температурах выше половины температуры плавления припоя. Скорость ползучести на этой стадии достигает стабильного значения в результате уравнивания двух фундаментальных противоположных процессов: деформационное упрочнение и восстановление (размягчение). Чем сильнее припой деформирован, тем медленнее он продолжает деформироваться. Упрочнение происходит за счет генерации дислокаций, препятствующих дальнейшей деформации. В области высоких температур механическое упрочнение частично или полностью компенсируется восстановлением. В результате устанавливается устойчивое равновесие, при котором скорость упрочнения равна скорости восстановления.
Форма кривой ползучести зависит от приложенного напряжения и температуры. Не всегда все три стадии четко видны.
Когда процесс восстановления начинает доминировать, наступает третья стадия, на которой скорость ползучести увеличивается до тех пор, пока не произойдет разрыв. На этой стадии обычно происходят структурные изменения, такие как кристаллизация, укрупнение и формирование внутренних разломов и пустот.
Литература
_______
1 Гомологическая температура — безразмерная величина, численно равная отношению температуры вещества к температуре его плавления.
