Особенности пайки материалов

Пайка конструкционных сталей. Особенности технологии пайки оп­ределяются количеством содержащегося в них углерода и легирующих эле­ментов. В зависимости от этого выбираются флюсы, назначаются способы и режимы пайки.

Углеродистые и низколегированные с т а л и. Пайка ста­лей этого класса не вызывает особых трудностей и может осуществляться всеми известными способами: в печи, погружением в расплавленные соли, нагревом токами высокой частоты, газопламенной горелкой и паяльником. Подготовка поверхности, подлежащей пайке, заключается в зачистке на­пильником, шкуркой и обезжиривании в горячих щелочных растворах.

Для высокотемпературной пайки низколегированных и малоуглероди­стых сталей применяют медь, латуни, медно-цинковые припои. Серебряные припои из-за дефицитности серебра применяют редко, в строго обоснован­ных и экономически оправданных случаях.

Флюсы, используемые для пайки сталей, содержат в своем составе буру, борный ангидрид, фтористые соли.

При низкотемпературной пайке углеродистых и низколегированных сталей применяют оловянно-свинцовые припои, пайка ведется паяльником, а в качестве флюса — раствор хлорида цинка или активированный спиртовой раствор канифоли.

Высоколегированные стали. Пайка этих сталей осложняется наличием на их поверхности термически и химически стойких оксидов хро­ма, титана и других легирующих элементов. Указанные оксиды ухудшают смачиваемость паяемых поверхностей припоями. Поэтому для пайки высо­колегированных коррозионностойких сталей газопламенной горелкой ис­пользуют активные флюсы.

Оксидная пленка, содержащая Сг₂0₃, на коррозионностойкой стали вос­станавливается в водородной среде при температуре около 1200 °С.

Низкотемпературная пайка коррозионностойких сталей осуществляется оловянно-свинцовыми припоями с флюсом, представляющим собой раствор канифоли в спирте с добавкой ортофосфорной кислоты. После пайки во из­бежание коррозии остатки флюса следует удалить.

Жаропрочные стали на своей поверхности также имеют трудноудаляе-мые оксидные пленки хрома, титана и ряда других элементов, входящих в состав сталей. Поэтому при пайке применяют высокоактивные флюсы, водо­родную атмосферу с добавками фтористых соединений. Для лучшего удале­ния оксидов хрома во флюсы вводятся тетраборат и фториды. Пайка жаро­прочных сталей, как и коррозионностойких, может производиться в защит­ной атмосфере аргона, гелия с использованием одновременно и флюсов.

Пайка титановых сплавов. Процесс пайки титановых сплавов сопря­жен с рядом трудностей, обусловленных их физико-химическими свойства­ми, прежде всего высокой химической активностью. Указанное свойство титановых сплавов требует при пайке обеспечения хорошей защиты металла от взаимодействия с воздухом, а также надлежащей подготовки под пайку. По тем же причинам непригодна при пайке газовая защита, содержащая во­дород или азот. Допустим лишь вакуум или аргон повышенной чистоты.

Процесс пайки осложняет высокая химическая стойкость оксида, по­крывающего поверхность деталей. Для его удаления применяют химическое травление в водном растворе азотной и плавиковой кислот (для небольших по толщине пленок) и в водном растворе HC1HN0₃ и NaCl или НС1 и HF (при большом слое окалины). Часто используют механическое удаление ок­сидных пленок опескоструиванием, зачисткой наждачной бумагой, а также стальными щетками и т. п.

При выборе припоя и режимов технологического процесса пайки необ­ходимо учитывать способность титана образовывать хрупкие интерметал-лидные соединения, отрицательно влияющие на прочностные характеристи­ки паяного шва, почти со всеми элементами, входящими в состав припоев. С серебром титан образует интерметаллид менее хрупкий, чем с остальными ме­таллами. Поэтому чаще всего для пайки применяют припои на основе серебра.

Для повышения прочности и пластичности паяных соединений, повы­шения однородности паяного шва проводят диффузионную пайку титана или диффузионный отжиг. За счет диффузионного отжига удается получить проч­ность паяных соединений из титана, близкую к прочности основного металла.

В ряде случаев, особенно при пайке низкотемпературными припоями Sn—Pb, поверхность титана под пайку покрывают металлами, улучшающи­ми его смачиваемость. К таким металлам относят прежде всего никель, а также серебро, медь, олово. Покрытие осуществляется гальваническим пу­тем, погружением деталей в расплавленный металл, например олово, нагре­тое до 700—750 °С.

Высокотемпературная пайка титана по покрытиям осуществляется с флюсами, которые обычно используют для пайки меди, никеля, серебра, спиртоканифольным бескислотным или спиртоканифольным, активизиро­ванным солянокислым диэтиламином.

Пайка алюминия, магния и их сплавов. Процесс пайки указанных металлов и сплавов на их основе осложняют тугоплавкие оксидные пленки на их поверхности, обладающие высокой химической устойчивостью и не удаляющиеся при пайке в высоком вакууме (до 0,1 МПа) и в восстанови­тельных газовых средах.

Для очистки поверхности деталей из алюминия и его сплавов от оксидов применяют механическую зачистку и травление в 10—15%-ном растворе едкого натра при 60 °С. С целью предупреждения последующей коррозии

детали промывают в холодной воде, тщательно смывая остатки едкого натра, а затем обрабатывают в 20%-ном растворе азотной кислоты. Промытые в горячей и холодной воде детали просушивают. Оксидная пленка на магние­вых сплавах удаляется травлением в водном растворе хромового ангидрида (20—30 кг/м³) при 60—70 °С. Повышая концентрацию этого раствора, мож­но снизить температуру травления до 30 °С. После травления детали промы­вают в горячей, а затем в холодной воде. Временной интервал между травле­нием и пайкой не должен превышать 24 ч, иначе толщина вновь образую­щейся оксидной пленки будет недопустимой.

Высокотемпературная пайка алюминия осуществляется всеми извест­ными способами нагрева: газопламенным, индукционным, в печах, погруже­нием в расплавленные соли.

Контактно-реактивная пайка в вакууме (1 МПа) и в газовых средах по­зволяет соединять алюминий через прослойку кремния, меди, серебра. Флю­сы в таких случаях не применяются. Перспективным методом бесфлюсовой высокотемпературной пайки алюминия является пайка в атмосфере паров магния, создаваемой в вакууме (1 МПа). Атмосфера паров магния (вследст­вие большой химической активности магния к кислороду) не только восста­навливает оксидную пленку AI2O3, но и служит средой, которая защищает поверхность основного материала от окисления в процессе пайки.

Детали из магниевых сплавов паяют паяльниками, горелками, индукци­онным нагревом, в расплавленных флюсах, в печах с контролируемой атмо­сферой (аргон, аргон с азотом, азот), в вакууме.

Низкотемпературная пайка магния осуществляется по предварительно нане­сенному покрытию из меди, никеля или серебра. В таком случае припой выбира­ется применительно к металлу покрытия, например оловянно-свинцовый.

В печах с контролируемой атмосферой азота, аргона или в вакууме пая­ют изделия из магния контактно-реактивным способом. Для этого поверх­ность под пайку покрывают слоем металла (меди, никеля), который образует с магнием легкоплавкую эвтектику при 450—600 °С. С целью повышения стойкости магниевых сплавов против коррозии поверхность их после пайки часто анодируют. При определении оптимальных режимов пайки магниевых сплавов необходимо иметь в виду, что при 300—400 °С происходит разло­жение гидридов оксида магния, что приводит к образованию пористости.

Пайка меди и ее сплавов. Пайка меди и основных ее сплавов — латуней, бронз и медно-никелевых сплавов — может быть осуществлена почти всеми ви­дами пайки при использовании обширной номенклатуры припоев и флюсов. Ка­ждый из указанных выше материалов имеет свои характерные особенности, ко­торые влияют на технологию пайки, выбор режима, оборудования и т. д.

Пайка тугоплавких металлов. Тугоплавкие металлы относятся к раз­ряду труднопаяемых высокотемпературными припоями. Трудности пайки обусловлены следующими особенностями их физико-химических свойств.

1. Тугоплавкие металлы обладают повышенной химической активно­стью при высоких температурах, особенно по отношению к кислороду, цир­коний — к водороду и азоту.

2. Тугоплавкие металлы склонны к собирательной рекристаллизации при нагреве до высоких температур, особенно заметно проявляющейся у молибдена и вольфрама.

3. Тугоплавкие металлы, особенно цирконий, при пайке образуют с компонентами припоя хрупкие интерметаллидные соединения, которые ухудшают пластические свойства металлов.

Низкотемпературная пайка указанных металлов применяется очень ред­ко и осуществляется оловянно-свинцовыми припоями с канифолесодержа-щими активированными флюсами по предварительно нанесенному никеле­вому покрытию.

Высокотемпературная пайка вольфрама нежелательна, так как при тем­пературе выше 1300—1400 °С он рекристаллизуется, теряет прочность, ста­новится хрупким. В этом случае перспективной является пайка при низкой температуре с последующей диффузионной термообработкой. Применяют припои на основе никеля, титана, палладия и др.

Пайка разнородных металлов. При выборе припоев, способов нагре­ва, типов соединения необходимо учитывать:

1) степень различия физических свойств материалов и коэффициентов теплового расширения, теплопроводности и температуры плавления;

2) особенности химических свойств — наличие оксидов, их химическую стойкость, окисляемость и активность по отношению к таким газам, как азот, водород;

3) смачиваемость различными припоями;

4) возможность и условия образования интерметаллидных прослоек.

При пайке конструкций из разнородных металлов неизбежно происхо­дит изменение паяльного зазора из-за разности коэффициентов термического расширения. При большем коэффициенте термического расширения соеди­нительный зазор, охватывающий детали, при нагреве может увеличиться настолько, что припой вытечет или не поднимается по капилляру. Если же деталь с большим коэффициентом термического расширения располагается внутри, то зазор при температуре пайки может уменьшиться и слой припоя окажется тонким, что приведет к разрушению при охлаждении или возник­новению внутренних напряжений. Для предотвращения разрушения паяных соединений из материалов с разными коэффициентами линейного расшире­ния следует применять припой, обладающий повышенной пластичностью, компенсирующей разницу в указанных свойствах, например припои на осно­ве индия или чистый индий.

В тех случаях, когда припой плохо смачивает один из паяемых материа­лов или образует с ним хрупкие соединения, на него наносят покрытие галь-

ваническим или химическим методом, облуживанием, осаждением из газо­вой фазы, которое и обеспечивает пайку.

Пайка металла с неметаллами, например с керамикой, ферритом, произ­водится по предварительно металлизированной поверхности.