Пайка металлов в приборостроении.

Б.А. Максимихин

ЦБТИ, 1959 г.

В зависимости от температурыплавления и прочности применяемых припоевпайка разделяется на мягкую и твердую.

При мягкой пайке используют сравнительно легкоплавкие припои с температурамиплавления не выше 300° С, которые обеспечивают получение паяных швов с пределамипрочности от 3 до 10 кг/мм2.

При твердой пайке применяют припои с температурамиплавления выше 300—400° С; прочность паяных соединений в этом случае достигает 30—50 кг/мм2.

Общим для процессовпайки черных и цветныхметаллов является обязательное выполнение следующих условий, которые предопределяют возможности пайки и ее качество:

Очистка поверхности деталей от пыли, жира, краски и выбор флюса, обеспечивающего   активное растворение окисной
пленки на поверхности основного металла и припоя. Окисная пленка является главным препятствием пайке, nbsp;  а ее свойства,
толщина и скорость образования неодинаковы для различных металлов.

Выбор составаприпоя способного смачивать и растворять твердый металл паяемых деталей с образованием оптимального
внутреннего строения паяного шва. Обеспечение между соединяемыми поверхностями гарантийных зазоров, величина которых не противоречит известным законам течения жидкостей по капиллярам и способствует повсеместному затеканию припоев. Равномерный нагрев деталей до температуры на 50—100°С, превышающей точку   начала затвердевания соответствующего припоя.

При невыполнении хотя бы одного из перечисленных условийпайкаметаллов становится затруднительной, а ее качество резко ухудшается.

Процесс пайки заключается в следующем: по достижении соответствующей температурыприпой расплавляется и, соприкасаясь с нагретым, но свободным от окисной пленки основным металлом, смачивает и растекается по его поверхности. Смачивание твердого металла жидким припоем происходит в том случае, если сила сцепления между молекулами твердого тела и жидкостью будет больше, чем между молекулами самой жидкости. Возможность смачивания определяется в основном поверхностным натяжением жидкого припоя.

В результате растворяющего действия жидкого припоя в местах смачивания основной металл деталей растворяется в припое. Благодаря процессурастворения на границе «твердый металл — жидкий припой» образуется слой насыщенного раствора, из которого частицы основного металла диффундируют в припой, а его частицы в основной металл. Взаимное проникновение одного металла в другой приводит к тому, что в паяном шве образуется определенная промежуточная структура сплава, механические свойства которого отличны от основного металла и припоя.

Процессы растворения и взаимной диффузииметаллов имеют решающее значение для получения оптимального строения паяного шва. Благодаря им структура паяного шва может представлять твердый раствор основного металла в припое или же их химическое соединение.

Образование твердого раствора в паяном шве является наиболее желательным для придания шву прочности и устойчивости против коррозии.

К выбору составаприпоя для пайкиметалла следует подходить с учетом его способности смачивать и растворять твердый металл, обеспечивать взаимную диффузию и образовывать в паяном шве структуру твердого раствора.

Кроме этого, в зависимости от условийработы паяных изделий к припоям предъявляют и другие требования.

В частности, припои должны образовывать швы, электропроводность которых не должна значительно отличаться от электропроводности основного металла деталей.

По коэффициентам теплового расширения припои и соединяемые ими металлы должны быть максимально близкими, в противном случае напряжения, возникающие в паяных швах, могут привести к трещинам.

Перед пайкойповерхность деталей и припоя необходимо очистить от пыли, жира, краски и окисной пленки. Удаление внешних загрязнений (ныли, жира и краски) не представляет трудностей. Но после очисткиповерхность всех металлов, в том числе а припоя, имеет окисную пленку, толщина и свойства которой различны для отдельных металлов и сплавов. При пайке окисная пленка не позволяет расплавленному припою войти в контакт с чистым металлом деталей: припой не смачивает и не растекается по поверхности основного металла.

Если окисную пленку удалить напильником, шабером или другим способом, то при нагреве деталей под действием кислородавоздуха и температуры она интенсивно образуется вновь.

Для очисткиповерхностей деталей и припоя от окисных пленок и для предохранения очищенных поверхностей от повторного окисления наиболее широко применяют химические реагенты, получившие названия паяльных флюсов.

По характеру действия на окисную пленкуфлюсы разделяют на две группы. К первой относят флюсы, которые активно воздействуют на пленки и, растворяя их, создают условия для беспрепятственного контакта жидкого припоя с основным металлом. Примером таких флюсов могут служить хлористый цинк, хлористый аммоний, борная кислота, бура, тетрафторборат калия, флюсы ЛТИ, 34А, Ф380А, Ф59А и др.

Флюсы второй группы во время нагрева и пайки почти не взаимодействуют с окисными пленками металлов, а служат лишь для защиты от повторного окисления поверхности металла, ранее очищенной от окисной пленки. К флюсам этой группы относятся канифоль, ее растворы в спирте, парафин и др.

В зависимости от химического состава остатки флюсов по-разному влияют на коррозионную стойкость паяных соединений и в этом отношении флюсы разделяют на коррозионные и некоррозионные.

Помимо флюсов, для предотвращения окисления металла и удаления с его поверхности окисных пленок нагреваемый металл изолируют от окисляющей среды и создают условия для восстановления ранее образовавшихся окисных пленок. Практически это достигается тем, что нагрев и пайку производят в восстановительной атмосфере или под вакуумом. Восстановительной средой может быть водород или диссоциированный аммиак, легко восстанавливающие металлы из окисных пленок.

В последние годы при пайкеалюминия и его сплавов появился третий, принципиально новый способ удаления окисной пленки, основанный на механическом разрушении ее под действием ультразвуковых колебаний. Перечисленные способы удаления окисных пленок должны обеспечить свободный доступ жидкому припою для смачиванияповерхности основного металла в процессе его нагрева и пайки. Смачивание и растекание жидкого припоя неразрывно связаны с явлениями капиллярности, благодаря которым достигается затекание припоя в зазоры на глубину десятков миллиметров. Все эти явления подчиняются общим физическим законам течения жидкостей по капиллярам. Как известно, высота поднятия жидкости а капилляре пропорциональна поверхностному натяжению ее и обратно пропорциональна радиусу капилляра и плотности жидкости.

Применительно к пайке определенным припоем при заданной температуреповерхностное натяжение и плотность жидкого припоя являются величинами постоянными. Следовательно, решающей в затекании припоя будет величина радиуса капилляра, или иначе — величина зазора между соединяемыми поверхностями