Пайка металлов

С.В. Лашко

Машиностроение, 1988 г.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПРИ ПАЙКЕ

К технологическим материалам при пайке относятся такие, компоненты которых входят в состав образующегося паяного соединения,— припои и контактные или барьерные покрытия.

По ГОСТ 17325—79 припоем называют материал для пайки и лужения с температурой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов. К вспомогательным материалам относятся такие, компоненты которых непосредственно не входят в состав образующегося паяного соединения, но участвуют в его образовании. К ним относятся паяльные флюсы, активные и инертные газовые среды, вещества, ограничивающие растекание припоя (стоп-материалы), и др.

Припои подразделяют на две группы — готовые и образующиеся при работе.

Готовые припои. Наиболее широкое применение при пайке нашли готовые припои. Готовые припои классифицируют по следующим признакам (ГОСТ 19250—73): по величине их температурного интервала плавления; степени расплавления при пайке; основному или наиболее дефицитному компоненту, способности к самофлюсованию; способу изготовления и виду полуфабрикатов (рис. 3).

Температурный интервал плавления припоя — важнейший классификационный признак. Такой интервал ограничен температурой начала (солидус) и конца (ликвидус) плавления припоя. По температуре конца расплавления припои разделяют на пять классов: особолегкоплавкие (<145 °С); легкоплавкие (145 °С - 450 °С); среднеплавкие (450 °С<< 1100 °С); высокоплавкие (1100 °С<< 1850 °С); тугоплавкие {>1850°С

Число различных припоев, разработанных к настоящему времени, весьма велико и продолжает непрерывно увеличиваться, что обусловлено повышением требований, предъявляемых к механическим и служебным свойствам паяных соединений, и необходимостью улучшения паяемости существующих и новых материалов.

Использование хрупких припоев системы Ni—Сг—В в виде пластичной нихромовой фольги, насыщенной с поверхности бором, также обеспечивает достаточно высокую пластичность припоя при сборке.

Контактные твердогазовые припои получают в результате плавления соединяемых металлов, металлических прокладок, покрытий, компактных кусков, отличающихся по составу от паяемого материала и взаимодействующих с парами элементов, с которыми они образуют эвтектики или твердые растворы с минимальной температурой плавления (ниже температуры пайки).

Реактивно-флюсовые припои образуются в результате восстановления металлов из компонентов флюсов или диссоциации одного из них. Возможность восстановления металлов из флюсов определяется термодинамическими условиями предпочтительного протекания реакций, в результате которых свободная энергия системы изменяется на возможно большую величину.

Классификация припоев по величине температурного интервала их плавления. Способность припоев к растеканию и затеканию в зазор улучшается с уменьшением их температурного интервала плавления. При пайке припоями с широким температурным интервалом плавления предварительная укладка их у зазора не всегда допустима из-за опасности втягивания легкоплавкой части припоя в зазор. При этом более тугоплавкая часть припоя образует у зазора «королек», не расплавляющийся при пайке. Вследствие этого свойства паяных соединений могут существенно отличаться от ожидаемых, а образование королька у зазора может приводить к ухудшению товарного вида и удорожать обработку после пайки. Припои с узким температурным интервалом плавления плохо удерживаются в сравнительно широких капиллярных зазорах, но лучше затекают в узкие зазоры. При пайке изделий с большой площадью спая или вертикальными зазорами с предварительной укладкой в них припоя лучше использовать припои с широким температурным интервалом плавления, а при некапиллярных зазорах — композиционные.

Классификация припоев по основному компоненту. К числу металлических припоев, содержащих более 50 % одного из компонентов, относятся припои оловянные, кадмиевые, цинковые, магниевые, алюминиевые, медные, кобальтовые, никелевые, марганцевые, золотые, палладиевые, платиновые, титановые, железные, циркониевые, ниобиевые, молибденовые, ванадиевые и др.

Классификация припоев по способности к самофлюсованию. Существуют припои, которые могут выполнять также функции флюсов. Припои, обладающие свойствами самофлюсования, должны содержать легирующие элементы-раскислители с сильным химическим сродством к кислороду. Эти элементы должны способствовать растекаемости и смачиваемости припоем паяемого металла. Продукты раскисления, образующиеся при взаимодействии такого припоя с паяемым металлом, должны легко удаляться из шва, в частности, для этого температура плавления их должна быть ниже температуры пайки. К элементам-раскислителям относятся литий, калий, натрий, фосфор, цезий, бор и др.

Припои, легированные этими элементами и способные к самофлюсованию в инертной газовой среде или на воздухе, называют самофлюсующими в отличие от остальных припоев, при пайке которыми необходимы флюсы, вакуум или активные газовые среды.

Классификация припоев по способу изготовления и виду полуфабриката. Многообразие паяных конструкций и способов пайки, конструкционных металлов и припоев с различными свойствами и необходимость их совместимости в производстве стимулировали развитие различных способов изготовления полуфабрикатов припоев. Старые традиционные припои в виде чушек (для пайки погружением в расплавленный припой), в виде зерен и литых прутков при многих способах пайки и типах конструкций современных изделий оказались не всегда удобными. Перед пайкой для предварительной укладки у зазора или в зазор необходимы припои в виде листов, лент, фольги, проволоки. Однако вследствие низкой пластичности многих припоев получение их в таком виде способами обработки давлением (прокатки, протяжки) невозможно. Если компоненты таких припоев способны к образованию эвтектики, то из них изготовляют путем прокатки многослойную фольгу, а путем протяжки многослойную проволоку из пластичных составляющих припоя.

Припои в виде многослойных листов нашли применение в электронике и радиотехнике. В процессе изготовления таких листов припоев, хрупких в литом состоянии, целесообразно менее пластичные составляющие помещать между более пластичными составляющими припоя, чтобы при прокатке края наружных листов сваривались, образуя герметичный пакет, предотвращающий выдавливание наружу внутренней хрупкой составляющей; образующийся при прокатке между листами вакуум способствует прочному сращиванию слоев припоя.

5. ДИФФУЗИОННАЯ ПАЙКА

Капиллярную пайку, при которой затвердевание шва происходит выше температуры солидуса припоя без охлаждения из жидкого состояния, называют диффузионной пайкой. Процесс диффузионной пайки может развиваться только при условии отвода легкоплавкой основы или депрессанта припоя из шва. Отвод может происходить в результате диффузии их в паяемый материал; испарения; связывания их в тугоплавкие соединения или при сочетании этих процессов.

На первой стадии диффузионной пайки с отводом компонентов в паяемый металл развивается обычное для капиллярной пайки ограниченное взаимодействие между твердой и жидкой фазами; на второй стадии наблюдается затвердевание жидкой фазы; на третьей стадии протекают процессы выравнивающей диффузии в твердом состоянии (гомогенизация паяного соедине-

Припой, применяемый при диффузионной пайке, может быть полностью или частично расплавляемым (композиционным); в некоторых случаях припой может образоваться в результате контактно-реактивного плавления соединяемого металла с одной или несколькими прослойками других металлов, нанесенных гальваническим способом, напылением и др., или уложенных в зазор между соединяемыми деталями, или в результате контактного твердогазового плавления.

Следует отличать диффузионную пайку от диффузионной обработки паяных соединений, производимой при нагреве их в твердом состоянии с целью главным образом гомогенизации шва, т. е. приведения его в более равновесное состояние и снятия остаточ-

Цель диффузионной пайки как самостоятельного способа получения паяного соединения заключается в проведении процесса кристаллизации таким образом, чтобы обеспечить наиболее равновесную структуру соединения, повышение температуры распайки шва, прочности и пластичности, электрической проводимо сти соединения, устранения возможных образований малопрочной и хрупкой литой структуры и интерметаллидных прослоек, возникающих в некоторых случаях при кристаллизации шва; повышения коррозионной стойкости соединения без существенного ухудшения характеристик основного материала.

Направление и кинетику протекания процессов при диффузионной пайке обусловливают два обстоятельства: твердая и жидкая фазы контактируют по поверхности раздела; количество жидкой фазы весьма мало по сравнению с количеством твердой фазы. При диффузионной пайке в шве может быть устранена неравновесная псевдоэвтектическая структура, образующаяся при быстром охлаждении доэвтектических сплавов.

Наиболее исследована и нашла широкое применение диффузионная пайка с отводом компонентов-депрессантов припоев из шва в паяемый материал. Два других способа диффузионной пайки с испарением или связыванием депрессанта в тугоплавкие химические соединения исследованы слабо.

Важнейшее условие осуществления процесса диффузионной пайки — существование при температуре пайки достаточно широкой области твердых растворов легкоплавкой основы или депрессанта припоя в паяемом материале. По мере выдержки при температуре пайки в соединении из таких металлов развивается Процесс выравнивающей диффузии, в шве возрастает концентрация паяемого металла и поэтому повышается его температурный интервал затвердевания, вследствие чего происходит Процесс изотермического затвердевания шва.

1. ФЛЮСОВАЯ ПАЙКА

Для защиты от окисления основного металла в процессе пайки флюс должен иметь температуру расплавления ниже температуры солидуса припоя, так как флюс в твердом состоянии не способен защищать паяемый металл и припой от окисления на воздухе. флюс должен хорошо смачивать поверхность паяемого металла и припоя, растекаться и затекать в зазор между соединяемыми деталями, удалять адсорбированные на них газы, сохранять покровное действие до конца пайки. флюс должен быть легче припоя и образовывать с ним два несмешивающихся слоя. При нарушении последнего требования в шве образуются флюсовые включения, имеющие выход наружу, ослабляющие паяемый шов, а при высокой коррозионной их активности способствующие развитию коррозии в паяемом соединении после вскрытия пор (например, при механической обработке), заполненных флюсом.

Флюс в условиях неконтролируемого нагрева, например, при газопламенной или индукционной пайке, имеющий температуру плавления на 50 °С ниже температуры плавления припоя, является своеобразным индикатором для определения момента подачи припоя в зазор. Кроме того, только при этом условии он успевает очистить паяемую поверхность от тонкого слоя оксидов до расплавления жидкого припоя. При более высокой температуре плавления флюса, чем температура плавления припоя, поверхность паяемого металла к моменту плавления припоя останется неофлюсованной и сильно окислится.

К важнейшим составляющим паяльных флюсов относятся их активаторы и растворитель. В отдельных случаях в них могут быть введены ингибиторы, понижающие коррозионную активность их остатков и шлаков после пайки и поверхностно-активные вещества (ПАВ), понижающие поверхностное натяжение на границе металла с флюсом и другие вещества. Активаторами флюсов, участвующих в реакциях при пайке, являются, главным образом восстановительные органические и неорганические кислоты.

Согласно ГОСТ 19250—73 флюсы классифицируются по следующим признакам: температурному интервалу их активности, природе растворителя, природе активаторов, по механизму действия, агрегатному состоянию при поставке. По температурному интервалу активности различают флюсы для низко- и высокотемпературной пайки. Температурный интервал активности у флюсов для низкотемпературной пайки находится не выше 450 °С, а у флюсов для высокотемпературной пайки — выше 450 °С.

По характеру взаимодействия на оксиды различают флюсы электрохимического, химического и растворно-химического действия. флюсы защитного действия предохраняют очищенный предварительно от грязи, жиров и оксидов паяемый металл от окисления при хранении перед пайкой. К флюсам электрохимического действия относятся гигроскопичные хлоридные флюсы для низко температурной пайки, хлоридно-фторидные флюсы для высокотемпературной пайки. Как показали исследования, боридно-фторидные флюсы, применяемые для пайки сталей и медных сплавов, относятся к флюсам растворно-химического действия. Вероятно, к этому же классу относятся боратно-хлоридные и боратно-фторидные флюсы, используемые для пайки сталей и никелевых сплавов.

Флюсы для низкотемпературной пайки меди, ее сплавов и сталей. К флюсам для низкотемпературной пайки с выраженным электрохимическим действием относятся неорганические флюсы хлоридного типа, состоящие из слабодиссоциирующего растворителя и активатора. В качестве растворителя для таких флюсов используют воду, спирты, а в качестве активаторов — соляную кислоту и хлориды тяжелых металлов.

К флюсам преимущественно химического действия относятся органические флюсы. Те из них, которые активированы хлоридами, также имеют электрохимическое действие.

По природе растворителей флюсы могут быть полярными (вода) и неполярными (одно- и многоатомные спирты). Активаторами флюсов являются неорганические кислоты (соляная и фосфорная) и некоторые органические кислоты. Эти активаторы можно подразделить на два типа:

1) растворяющиеся в полярных жидкостях (воде); такие активаторы могут ионизировать и приводить к коррозии (соли неорганических кислот, сахара и др.);

2) растворяющиеся в неполярных жидкостях (жирах, канифоли, маслах, этиловом спирте) и не вызывающие коррозии; к ним относятся органические кислоты, например абиетиновая кислота, плавящаяся при 173 °С, которая является основным активатором канифоли. Канифоль не растворяется в воде, а растворяется только в неполярных жидкостях (например, в этиловом спирте). Спиртовой раствор белой канифоли в этиловом спирте с 0,5 % хлоридов тяжелых металлов имеет повышенную активность при пайке.

Главной составной частью канифоли является абиетиновая кислота С20Н30О2, плавящаяся при 173 СС. Расплавленная канифоль может растворить очень тонкий слой оксида меди (оранжево-красного цвета), т. е. она является очень слабым растворителем оксидов. слой канифоли, остающийся после пайки, защищает паяный шов от коррозии (в умеренном климате).

При температуре 200 °С канифоль активна; с повышением температуры она начинает испаряться; при 300 °С испаряется 7 % канифоли. При нагреве выше 300 °С канифоль обугливается, что затрудняет Процесс пайки. При достаточно быстром нагреве (пайка электросопротивлением, открытыми нагревателями и т. п.) паять с канифольсодержащими флюсами можно и при более высоких температурах (350—370 °С). Для предотвращения обугливания канифольных флюсов и появления пористости в швах