Металловедение пайки

Петрунин И.Е., Маркова И.Ю., Екатова А.С.

Металлургия, 1976 г.

1. ПАЙКА И ПАЯЕМОСТЬ

Пайка — это процесс соединения металлов в твердом состоянии путем введения в зазор припоя, взаимодействующего с основным металлом и образующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного соединения.

Пайка осуществляется при температуре ниже точек плавления паяемых материалов. Она связана с введением в зазор между соединяемыми металлами жидкой металлической прослойки (расплава припоя), которая взаимодействует с твердым паяемым металлом. Завершающая стадия образования паяного соединения — кристаллизация.

Возможность образования спая между паяемым материалом и припоем характеризуется паяемостью, т.е. способностью паяемого материала вступать в физико-химическое взаимодействие с расплавленным припоем и образовывать паяное соединение.

Однако, кроме физико-химических факторов, определяющих природу основного металла, припоя и процессов их взаимодействия, необходимо учитывать технологические факторы, определяющие свойства паяных соединений, такие как конструкция паяного соединения, режим пайки, флюсующая среда, способ нанесения припоя и др. С точки зрения физико-химических процессов прочность соединения определяется типом связей, образующихся между твердым и жидким металлами, и зависит от природы основного металла и припоя. Практически пайкой можно соединять все металлы, металлы с неметаллами и неметаллы между собой Необходимо только обеспечить такую активацию их поверхности, при которой стало бы возможным установление между атомами соединяемых материалов и припоя прочных химических связей.

"С точки зрения технологии пайки паяемость есть отношение соединяемых материалов и припоя к основным процессам, происходящим при пайке (нагрев, плавление, смачивание, капиллярное течение, растворно-диф-фузионное взаимодействие, кристаллизация, охлаждение нагретого металла, деформации, взаимодействие металлов с газами, флюсами, шлаками и т.д.). Отсутствие паяемости или плохая паяемость с этой точки зрения характеризуются отсутствием или плохой связью в зоне спаев, нежелательными изменениями физико-химических свойств основного металла в зоне паяного соединения, склонностью основного металла к образованию горячих и холодных трещин и т. д.

Таким образом, паяемость зависит не только от физико-химической природы соединяемых материалов и припоя, но и от способа и режима пайки, от флюсующих сред, условий подготовки поверхности под пайку и сборку и т. д.

для образования спая необходимым и достаточным является смачивание поверхности основного металла расплавом припоя, что определяется возможностью образования между ними химических связей. смачивание принципиально возможно практически в любом сочетании основной металл — припой при обеспечении соответствующих температур, высокой чистоты поверхности (ювенильно чистые поверхности образуются при разрушении металла в вакууме или расплаве припоя) или достаточной термической или другого вида активации (облучение, термическая активация и т.д.). смачивание характеризует принципиальную возможность пайки конкретного основного материала конкретным припоем. При физической возможности образования спая (физической паяемости) уже в какой-то мере гарантирована паяемость с технологической точки зрения при обеспечении соответствующих условий проведения процесса пайки.

Паяемость того или иного материала нельзя рассматривать как способность его подвергаться пайке различными припоями. Можно рассматривать только конкретную пару: основной материал — припой и в конкретных условиях пайки. В настоящее время паяемость определяется путем непосредственного эксперимента.

4. ПАЯЕМЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПРИПОИ

В паяных.конструкциях применяются самые различные материалы: стали, чугуны, никелевые сплавы (жаропрочные, жаростойкие, кислотостойкие), медь и ее сплавы, а также легкие сплавы на основе титана, алюминия, магния, бериллия. Ограниченное применение имеют сплавы на основе тугоплавких металлов: хрома, ниобия, молибдена, тантала и вольфрама.

Современные методы пайки конструкционных материалов, имеющих различные физико-химические свойства, обеспечивают сохранение или незначительное изменение их исходных свойств.

Конструкционные МАТЕРИАЛЫ нагреваются в процессе пайки до температуры ниже точки плавления. Предельно допустимую температуру нагрева при пайке можно вычислить по формуле

Припои на основе меди

В качестве припоев широко применяют медь в чистом виде и сплавы меди с цинком, марганцем, фосфором и другими элементами.

Медь в чистом виде в расплавленном состоянии отличается высокой жидкотекучестью, хорошо смачивает поверхность сталей, твердых сплавов, никеля и никелевых сплавов; затекает в тончайшие капиллярные зазоры и дает прочные и пластичные паяные соединения.

Из припоев на основе меди наибольшее распространение получили сплавы меди с цинком.

Медноцинковые припои представляют собой двойные сплавы меди и цинка в различных соотношениях. Диаграмма состояния сплавов системы медь — цинк приведена на рис. 19. Наибольший интерес представляют сплавы, содержащие менее 39% Zn и имеющие однофазную структуру а-твердого раствора. С увеличением содержания цинка пластичность припоев снижается, вызывая охрупчивание паяных соединений.

Наряду с хорошими технологическими свойствами медноцинковые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью. Припои, имеющие структуру а-твердого раствора, сохраняют достаточную прочность даже в условиях глубокого холода. Недостатком этих припоев является испарение цинка при пайке, что ухудшает условия работы с ними и приводит к повышению температуры плавления сплава.

Припои для пайки алюминия и его сплавов

Припои для пайки алюминия и его сплавов обычно разделяют на три группы: на основе алюминия, на основе цинка и на основе олова. В состав припоев на алюминиевой основе входят кремний, медь, цинк и другие металлы.

Припои на основе системы алюминий — цинк при пайке алюминиевых сплавов обеспечивают получение соединений с удовлетворительными прочностными и коррозионными характеристиками, однако они заметно уступают соединениям, паянным припоями на основе систем алюминий — кремний и алюминий — медь — кремний. В качестве алюминиевоцинковых припоев некоторое распространение получили сплавы на основе тройной эвтектики цинк —алюминий —медь. Однако, несмотря на высокие механические и технологические свойства, их практически не применяют из-за отсутствия соответствующих флюсов. Припои на основе олова для пайки алюминия и его сплавов применяются редко из-за низкой коррозионной стойкости паянных ими соединений.

Припои для пайки магниевых сплавов

Припои на магниевой основе применяют только для пайки магниевых сплавов; при пайке ими других метал-" лов получаются хрупкие .соединения, обладающие низкой коррозионной стойкостью. В качестве магниевых припоев применяют сплавы магния с алюминием, цинком и кадмием. Магний с алюминием при содержании 32,3% А1 образует эвтектику с температурой плавления 437° С. Согласно экспериментальным данным, в магниевых припоях алюминия должно содержаться не выше 25—27%, так как при дальнейшем увеличении его содержания припои сильно охрупчиваются. Целесообразно вводить в эти припои не свыше 1—1,5% цинка, так как при большем его содержании увеличивается интервал кристаллизации сплава и склонность паяных соединений к тре-щинообразованию. Для снижения температуры плавления магниевых припоев в них вводят кадмий.

Оловянносвинцовые припои

Для низкотемпературной пайки сталей, меди, никеля и медных сплавов наиболее широко применяют припои системы олово — свинец, обладающие достаточной прочностью, коррозионной стойкостью и высокими технологическими свойствами. Они пластичны, хорошо сопротивляются знакопеременным нагрузкам и обладают хорошей смачивающей способностью по отношению ко многим металлам и сплавам. Диаграмма состояния системы олово — свинец приведена на рис. 23.

Свинцовые припои

Ввиду дефицитности олова его стремятся заменить в припоях другими металлами. Разработаны низкооловя-нистые и безоловянистые припои главным образом на основе свинца. свинец в чистом виде в качестве припоя оказался непригодным, так как очень плохо смачивает металлы. сплавы свинца с серебром, кадмием, цинком получили некоторое распространение. Добавка к свинцу серебра, снижая температуру плавления припоев, увеличивает их прочность и смачивающую способность.

Добавка олова в свинцовосеребряные припои улучшает их смачиваемость и растекаемость, а также повышает технологичность пайки.

Кадмиевые припои

В качестве кадмиевых припоев применяют сплавы кадмия с оловом, цинком, серебром. Основным достоинством кадмиевых припоев является более высокая по сравнению с оловянносвинцовыми припоями прочность и пластичность. Кадмиевые припои обладают повышенной температурой плавления, поэтому их можно применять для пайки деталей, работающих в условиях нагрева до 200—250° С. Однако технологические свойства кадмиевых припоев низкие, ПАЙКА ими затруднена. Кадмиевые припои применяют для пайки меди, медных сплавов, омедненной стали и алюминия.

Индиевые припои

В качестве низкотемпературных припоев применяют сплавы индия с оловом, цинком, кадмием и другими металлами. Индий наряду с низкой температурой плавления (156,4° С) обладает хорошей смачивающей способностью по отношению к металлам, стеклу, керамике, полупроводникам. При добавлении 1—2% In, например, к стандартному свинцовосеребряному припою ПСр2,5 резко улучшается смачиваемость. Кроме того, оловянно-свинцовые припои, содержащие свыше 25% In, обладают хорошей коррозионной стойкостью в щелочах, поэтому индиевые припои, несмотря на дефицитность индия, применяют во многих областях техники, особенно при соединении металлов с неметаллическими материалами. припой системы Индий — кадмий эвтектического состава широко применяют при пайке германиевых элементов и полупроводников.

Висмутовые припои

Сплавы на основе висмута, несмотря на их низкие температуры плавления, распространения в качестве припоев не получили, так как они плохо смачивают поверхность большинства металлов, хрупки и имеют низкую прочность. Кроме того, висмут является дефицитным металлом. Особенностью припоев на основе висмута наряду с легкоплавкостью является увеличение объема при кристаллизации. Висмутовые припои применяют для пайки плавких предохранителей.

Галлиевые припои-пасты

Галлий имеет температуру плавления 29,8° С, поэтому галлиевые припои-пасты могут быть использованы для соединения металлов и металлов с неметаллами при незначительном нагреве. Припои-пасты на основе галлия и его сплавов при температуре 20—30° С представляют пастообразную смесь галлиевого сплава с порошками металлов, являющимися наполнителями. В качестве наполнителя обычно используют порошки основного металла. Такая паста некоторое время при комнатной температуре сохраняется в твердо-жидком состоянии, а затем затвердевает подобно амальгамам, образуя сплав, температура плавления которого значительно выше температуры галлия.

Особенностью галлия и припоев-паст на его основе является увеличение объема при кристаллизации, поэтому для получения более прочных и плотных швов при пайке рекомендуется применять давление.

С момента образования жидкой фазы равновесного состава идет диффузия в основной металл. Распределение мели в диффузионной зоне при пайке стали 20 медью показано на рис. 33, а. Распределение цинка в диффузионной зоне при пайке алюминия цинком приведено на рис. 33,6 и в.

Диффузионная зона при пайке сталей медью характерна проникновением по границам зерен железа жидкой меди, которая усиливает диффузию и в объеме зерен. Глубина проникания припоя в основной металл зависит от выдержки при температуре пайки. На рис. 34 изображены кривые распределения меди в диффузионной зоне при пайке железа при температуре 1100° С с выдержкой 1 и 60 мин. Как следует из рисунка, с увеличением времени выдержки не только медь диффундирует на большую глубину, но соответственно увеличивается и максимальное содержание диффундирующего элемента в диффузионной зоне. [24].

При пайке медью малоуглеродистых сталей смачивание их расплавом меди вызывает диффузию углерода в слои стали, насыщенные медью. Скорость диффузии углерода в железе на несколько порядков выше, чем в меди. Несмотря на это диффузия углерода в слоях стали, обогащенных медью, происходит " большей интенсивностью, что объясняется восходящ диффузией [25].

С повышением содержания углерода в сталях, т.е. при переходе от малоуглеродистых к высокоуглеродистым сталям, проникновение меди по границам зерен аустенита уменьшается. Ширина диффузионной зоны с повышением содержания углерода вначале несколько возрастает, затем снижается.

Влияние содержания углерода в стали на глубину проникновения меди по границам зерен основного металла и Скорость роста зерен железа показаны на рис. 35 [26].

При пайке легированных сталей медью механизм миграции ее в основной металл более сложный, так как Отдельные компоненты могут как ускорять, так и замедлять диффузию меди. Кроме того, легирующие элементы по-разному влияют и на процесс диффузии углерода.

4. РАСТВОРЕНИЕ ОСНОВНОГО металла В расплаве ПРИПОЯ

В процессе пайки РАСТВОРЕНИЕ основного металла в расплавленном припое может протекать в следующих случаях:

1) когда расплав припоя не перемещается относительно поверхности основного металла в зоне спая — статические условия взаимодействия;

2) когда припой после расплавления течет в капиллярном зазоре — динамические условия взаимодействия.

Как в первом, так и во втором случае изменяются составы твердой и жидкой фаз, и на границе между ними образуется поверхность раздела. Различие состоит в том, что при динамических условиях растворения в контакт с основным металлом, не смоченным припоем, вступает расплав припоя, который уже провзаимодействовал с ним, поэтому в направлении от входной галтели к выходной интенсивность процесса растворения снижается.

5. кристаллизация ПРИ ПАЙКЕ

Кристаллизация при пайке протекает в соответствии с основными закономерностями затвердевания металлов и сплавов, но в связи со спецификой и условиями процесса имеет некоторые особенности:

а) наличие готовой подложки, которой служит поверхность основного металла, контактирующая с расплавом;

б) малый объем расплава и особая геометрия кристаллизующейся ванны, nbsp;представляющей собой пленку жидкости незначительной толщины, помещенную между двумя поверхностями металлов, находящихся в твердом состоянии;

в) направленный теплоотвод в процессе кристаллизации;

г) отсутствие перегрева в зоне соединения, так как температура расплава в процессе пайки, как правило, близка к температуре начала затвердевания;

д) большая Скорость и неравновесность процесса кристаллизации.

Все эти особенности накладывают отпечаток на процесс кристаллизации, распределение компонентов и формирование структуры паяных швов.