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. Однако каждый из указанных выше материалов имеет свои характерные особенности, которые влияют на технологию пайки, выбор режимов, оборудования и т. д.

Медь паяется серебряными, медно-цинковыми, медно-фосфористыми и оловянносвинцовыми припоями. Для низкотемпературной пайки меди используются оловянносвинцовые припои типа ПОС-61, ПОС-40, ПОСК 50−18 и др. В качестве флюса могут быть использованы сосновая канифоль или ее раствор в спирте. Флюсующее действие канифоли объясняется наличием в ней обиетиновой кислоты С₂Н₃₀О₂, которая легко удаляет оксиды меди. Пайку следует вести паяльником при температурах, не превышающих 573 К. При нагреве места пайки свыше 573 К канифоль теряет флюсующие средства и обугливается, загрязняя тем самым паяный шов.

Высокотемпературная пайка меди выполняется серебряными, медно-фосфористыми и медно-цинковыми припоями, причем для пайки серебряными и медно-фосфористыми припоями применяются флюсы на основе фтористых солей легких металлов 284,209, для пайки медно-цинковыми припоями требуются более тугоплавкие флюсы на основе буры и борного ангидрида — 200 и 201.

Медно-цинковые припои при пайке меди дают хрупкие, пористые швы, поэтому их применяют сравнительно редко и только для тех деталей, которые не испытывают в процессе эксплуатации вибрационных или ударных нагрузок. Чаще применяются медно-фосфористые припои, которые из-за наличия в их составе фосфора обладают самофлюсующими свойствами. Но, как правило, флюсующего действия фосфора недостаточно, и для получения качественных паяных швов применяются флюсы 209, 284. Пайка меди перечисленными припоями выполняется с помощью индукционного нагрева, а также газопламенными горелками. В печи с восстановительной водородной атмосферой можно паять только бескислородную медь или медь вакуумной плавки, потому что обычная техническая медь подвержена так называемой водородной болезни, т. е. растрескиванию по границам зерен.

При пайке латуней необходимо учитывать следующие технологические особенности. В отличие от меди латунь не рекомендуется паять в вакууме или в восстановительной атмосфере из-за возможного испарения цинка при нагреве. Пайку в указанных средах можно осуществлять при условии нанесения на латунные детали гальванического или химического покрытия никелем или медью (толщина слоя 18—30 мк). При этом используется припой ПСр72 (Ag—72%, Си — 28%) эвтектического состава.

Соединения из латуни, паянные медно-фосфористыми припоями, вследствие образования хрупких фосфидов цинка не выдерживают вибрационных и ударных нагрузок. Поэтому указанные припои при пайке латуни имеют ограниченное применение. Чаще применяются серебряные припои, обеспечивающие высокопрочные, пластичные, коррозионно-стойкие швы. Так как паяные изделия из латуни в авиационной и других смежных отраслях промышленности довольно широко распространены, то для целей пайки расходуется большое количество припоя. В связи с этим проблема разработки дешевых технологических припоев, не содержащих дефицитного серебра, но обеспечивающих равноценные по прочности соединения, стоит очень остро.

Низкотемпературная пайка латуни выполняется паяльником и теми же припоями, что и медь, однако канифоль и обычные спирто-канифольные флюсы в данном случае непригодны. Для удаления оксидов, образующихся на поверхности латунных деталей в процессе пайки, используются флюсы ЛТИ-12, ТС-1 и др., содержащие в своем составе активирующие добавки. Во избежание коррозии после пайки остатки этих флюсов должны быть удалены. При низкотемпературной пайке латуни оловянносвинцовыми припоями возникает опасность разрушения паяных швов. Так, если детали, подвергавшиеся перед пайкой штамповке или гибке, паять или лудить оловянно-свинцовым припоем, происходит проникновение олова по границам зерен с образованием легкоплавкой эвтектики. При повторном нагревании таких деталей происходит разрушение в месте расплавления эвтектики. Для предотвращения этого явления детали перед пайкой должны быть термически обработаны.

Трудности пайки бериялиевой и алюминиевой бронз связаны с наличием на их поверхности труднорастворимых стойких оксидов. Эти сплавы перед пайкой требуют обработки по специальному режиму. Так, бериллиевая бронза сначала обрабатывается в 50% -ном растворе серной кислоты при температуре 339—348 К, а затем травится смесью серной и азотной кислот, после чего тщательно промывается водой и просушивается. При высокотемпературной пайке алюминиевых бронз в обычные флюсы на основе фтористых солей необходимо ввести хлориды легких металлов. Для пайки меди и ее сплавов перспективной является контактно-реактивная пайка. В качестве припоя на паяемые поверхности гальваническим способом наносится серебро (10—50 мкм), если паяется медь, или серебро плюс медь, если паяется латунь. В контакте с медью при нагреве серебро образует эвтектический сплав типа ПСр72, который при затвердевании обеспечивает прочное паяное соединение.

Рекомендуемые способы пайки, припои и флюсы для меди и ее сплавов приведены в табл. 6.4.

Припои и флюсы для пайки меди и ее сплавов.

Таблица 6.4

Окончание табл. 6.4

Пайка тугоплавких металлов. Тугоплавкие металлы благодаря их высокой жаропрочности применяют при изготовлении конструкций, надежно работающих при температурах 2273—3973 К. Температура плавления тугоплавких металлов значительно выше температуры плавления титана и сталей:

Металл Температура плавления, К Железо 1812.

Титан 1941.

Ванадий 2192.

Ниобий 2474.

Тантал 3269.

Молибден 2895.

Цирконий 2125.

Вольфрам 3683.

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. Образующиеся при этом оксиды препятствуют растеканию припоя и ухудшают механические свойства металлов, прежде всего их пластичность. Скорость химического взаимодействия этих металлов с газами возрастает по мере роста температуры, для вольфрама, например, окисляемость существенно повышается с температуры 1073 К.
• 2. Тугоплавкие металлы склонны к собирательной рекристаллизации при нагреве до высоких температур, особенно заметно проявляющейся у молибдена и вольфрама. Степень отрицательного влияния роста зерен очевидна из анализа изменения прочностных и пластических показателей механических свойств при различных температурах для молибдена (рис. 6.2): металл с крупнозернистой структурой (100 зерен/мм²) имеет значительно более низкую пластичность и прочность. Уменьшение роста зерна может быть достигнуто увеличением скорости нагрева под пайку и сокращением времени пребывания металлов при повышенных температурах. Одним из способов уменьшения хрупкой зоны является применение диффузионной пайки, которая осуществляется при температурах ниже температуры рекристаллизации (для вольфрама, например ниже 1723 К, для молибдена — ниже 1373 К), а температура распая в итоге превышает температуру пайки.

Рис. 6.2. Зависимость механических свойств молибдена а_{0 2} и у от размера зерна при разных температурах:

1 — 100 зерен/мм²; 2 — 1700 зерен/мм²

Тугоплавкие металлы, особенно цирконий, при пайке образуют с компонентами припоя хрупкие интерметаллидные соединения, которые ухудшают пластические свойства металлов. Поэтому перед пайкой поверхность тугоплавких металлов подвергается особо тщательной очистке от оксидов, для чего используются химическое или электролитическое травление, механическая очистка.

Пайка вольфрама, самого тугоплавкого и самого жаропрочного металла, может осуществляться практически всеми известными способами во всех защитных и восстановительных средах, но чаще применяется вакуум, который обеспечивает более плотные швы. Хорошие результаты дает пайка в водороде при индукционном нагреве.

В качестве припоев для пайки вольфрама используются такие металлы, как тантал, ниобий, никель, медь, а также сплавы никель — титан, никель — медь и др. Однако ввиду того, что никель активно взаимодействует с вольфрамом при пайке, образуя хрупкие интерметаллиды, паять припоями следует при минимальных выдержках деталей при температуре пайки. Иногда паяют серебряными припоями типа ПСр в водородной среде.

Характерной особенностью пайки молибдена является окисление его при температурах выше 973 К с образованием летучего триоксида Мо0₃. Для предотвращения испарения молибдена детали, подлежащие пайке, предварительно покрывают гальваническим способом медью, никелем или хромом.

Так же как и вольфрам, молибден можно паять такими металлами, как медь, никель, палладий, серебро и припоями на основе серебра. При пайке серебряными припоями допускается нагрев слегка окислительным ацетилено-кислородным пламенем. Обязательным условием при этом является применение флюсов.

Цирконий лучше всего паяется по предварительно нанесенному покрытию, однако возможна пайка в среде очень чистого, хорошо осушенного аргона или гелия. Пайка циркония в водороде или на воздухе не допускается из-за большей, чем у остальных тугоплавких металлов, химической активности к кислороду, водороду, азоту.

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