Основы пайки (реферат)
1. Основы теории пайки металлов
Пайка - сложный физико-химический процесс получения соединения в результате
Взаимодействия твердого паяемого (основного) и жидкого присадочного металла
(припоя)
Паяное соединение неоднородно по строению и составу. Паяный шов включают в себя спаи, диффузионные зоны и место припоя кристаллизовавшегося в зазоре между деталями с прикристаллизованными ионами.
Спай – переходный слой, образующийся в результате вследствие физико-химического взаимодействия расплавленного припоя с паяемым металлом. Контактная поверхность плавится в результате теплообмена с припоем.
Диффузионная зона – результат взаимной диффузии припоя и паяемого металла.
Прикристаллизованная зона – результат концентрирования в области спая тугоплавких компонентов при кристаллизации расплава.
Прочностные характеристики паяного соединения определяется возникновением химических связей между пограничными слоями припоя и паяемого металла (адгезией), а также сцеплением частиц внутри припоя или паяемого металла между собой (когезией).
Особенности процесса кристаллизации вызваны:
· Малым зазором (0,05…0,07 мм) между деталями;
· Различием химических составов припоя и паяемого металла;
· Кратковременностью физико-химических взаимодействий между соединяемыми металлами расплавом припоя и газовой средой.
Вследствие малого зазора, в процессе пайки между деталями образуется незначительное количество жидкого припоя, активно взаимодействующего с паяемыми металлами. В жидкий припой, вследствие диффузии, попадают примеси, а в металл переходят некоторые компоненты припоя. Изменение жидкой фазы приводит к изменению структуры металла шва и температуры кристаллизации.
Кристаллизацию шва рассматривают как двустороннее, направленное к центру, заращивание зазора. Характер кристаллизации определяется скоростью остывания и величиной зазора.
При пайке получают соединения с межатомными связями с помощью нагрева их до температуры ниже температуры их автономного плавления, смачиванием поверхностей расплавом припоя с дальнейшим затеканием его в зазор и кристаллизацией. При этом имеет место взаимодействие:
Паяемый материал- расплав припоя – расплав флюса
при температуре ниже плавления паяемых материалов.
2. Технология пайки
Получение паяного соединения состоит из нескольких этапов:
A. Предварительная подготовка паяемых соединений;
B. Нагрев соединяемых деталей до температуры ниже температуры плавления паяемых деталей;
C. Удаление окисной плёнки с поверхностей паяемых металлов с помощью флюса;
D. Введение в зазор между паяемыми деталями жидкой полоски припоя;
E. Взаимодействие между паяемыми деталями и припоем;
F. Кристаллизация жидкой формы припоя, находящейся между спаевыми деталями;
Пайкой можно соединять любые металлы и их сплавы. В качестве припоя используются чистые металлы (они плавятся при строго фиксированной температуре) и их сплавы (они плавятся в определенном интервале температур).
Разница между температурами начала плавления и полного расплавления называется интервалом кристаллизации. При осуществлении процесса пайки необходимо выполнение температурного условия:
t1 > t2 > t3 > t4
где t1 – температура начала плавления материала детали
t2 – температура нагрева детали при пайке;
t3 – температура плавления припоя;
t4 – рабочая температура паянного соединения;
3. Флюсы
Флюсы применяются для удаления окисной пленки с поверхности основного металла и припоя, а также для недопущения окисления при пайке. Флюсы могут быть:
a) Твердыми:
b) Жидкими;
c) Пастообразными;
В процессе нагревания соединяемых металлов твердый флюс плавится, смачивает поверхности деталей и припоя и взаимодействует с окисной пленкой. Флюс должен взаимодействовать с окисной плёнкой прежде, чем расплавится припой.
Флюсы могут содержать вещества, которые:
· Вступают во взаимодействие с окисной пленкой, образуя шлаки, легко растворимые во флюсы;
· Растворяют окисную пленку
· Вступают в реакцию замещения с окислами труднопаяемого металла и образуют оксиды легкорастворимые во флюсе.
Флюсы классифицируют по признакам:
- температурному интервалу пайки на низкотемпературные (t<4500C) и высокотемпературные (t>4500C);
- Природе растворителя на водные и неводные;
- Природе активатора на канифольные, галогенидные, фтороборатные, анилиновые, кислотные и т.д.;
- По агрегатному состоянию на твердые, жидкие и пастообразные
3.1Пример флюса
Для низкотемпературной пайки меди используют канифоль.
Канифоль - твёрдое стекловидно6е вещество с температурой плавления 1250С,
получаемое из сосновой смолы. Флюсовый эффект связан с содержанием в ней абиетиновой кислоты, растворяющей окислы меди. При температуре 300-4000С канифоль разлагается с выделением углерода и водорода. Вследствие этого окислы меди интенсивно восстанавливаются.
4. Припои
Припоями называются металлы и их сплавы, применяемые для пайки и лужения (лужение- процесс нанесения на паяемые детали тонкого слоя припоя для улучшения смачиваемости деталей при пайке) и имеющие температуры плавления паяемых металлов.
Припои должны отвечать следующим требованиям:
- Обладать высокой жидкотекучестью и смачивающей способностью;
- Интенсивно проникать в зазор между деталями;
- Обеспечивать прочную связь металлов в зоне спая при статических и знакопеременных нагрузках;
- Иметь высокую коррозийную стойкость.
Припои классифицируют по следующим признакам:
a) Химическому составу;
b) Температуре плавления;
c) Технологическим свойствам;
По химическому составу припои делятся на свинцово-оловянные, серебряные, медно-фосфорные, цинковые, титановые и др.
По температуре плавления делятся на низкотемпературные t<4500C и высокотемпературные t>4500C.
По техническим свойствам делятся на самофлюсующиеся (частично удаляют окислы с поверхности металла) и композиционные (состоят из тугоплавких и легкоплавких порошков, позволяющих производить пайку с большими зазорами между деталями).
Применение различных типов припоев:
Свинцовые припои с содержанием серебра до 3% имеют термостойкость, чем свинцово-оловянистые и применяются при пайке медных и латунных деталей, работающих при температуре до1500С.
Серебряные припои с медью и цинком применяются при высокотемпературной пайке стали, меди и её сплавов. Они обладают повышенной тепло- и электропроводностью и высокой пластичностью, прочностью и коррозионной устойчивостью.
Медно-фосфорные припои применяются как заменители серебряных припоев при пайке стали и меди. Они обладают высокой жидкотекучестью и самофлюсующимися свойствами. Швы прочные, но не эластичные в условиях низких температур.
Для высокотемпературной пайки стали и меди также применяются также медно-цинковые припои. Стали можно паять чистой медью и сплавами на основе никеля.
4.1 Пример припоя
Для низкотемпературной пайки широко используются свинцово-оловянистые припои, обладающие высокими технологическими свойствами и обеспечивающие высокую прочность и коррозионную стойкость соединения.
5.Подготовка деталей к пайке и пайка.
1. Механическая обработка (подгонка деталей друг к другу и создание шероховатости с помощью шкурки)
2. Обезжиривание поверхностей, подготавливаемых для пайки (едким натром (5-10 г/л), углекислым натрием (15-30г/л), тирнатрийфосфатом (30-60 г/л), эмульгатор ОП-7 (0,5 г/л)). Детали в растворе выдерживают при температуре 50-600С в течение 15-20 минут. После обработки щелочью детали последовательно промывают горячей и холодной водой, а затем сушат.
3. Нагрев и пайка осуществляется паяльником, паяльными клещами, газовым пламенем, в печах, током ВЧ, электронным или лазерным лучом (паяльником можно паять только тонкостенные детали при температуре до 3500С).