вернуться в раздел "Справочник"

ПРИПОИ И СПОСОБЫ ПАЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Свинцово-оловянные припои ПОС

    Применение свинцово-оловянных припоев только тогда может дать хорошие результаты, когда работающий правильно представляет процесс паяния и знает основные правила работы. В зависимости от назначения спаиваемых деталей или изделий швы пайки подразделяются на: прочные швы (должны выдерживать, механические нагрузки); плотные швы (не должны пропускать жидкостей или газов, находящихся под слабым давлением); прочные и плотные швы (должны выдерживать давление жидкостей и газов, находящихся под большим давлением). Припой в процессе паяния в результате смачивания образует с поверхностью спаиваемой детали зону промежуточного сплава, причем качество паяния в таком случае при наличии чистых металлических поверхностей будет зависеть от скорости растворения данного металла в припое: чем скорость растворения больше, тем качество пайки лучше. Иначе говоря, качество паяния зависит от скорости диффузии. Увеличению степени диффузии способствуют: наличие чистых металлических поверхностей спаиваемых деталей. При окисленной поверхности степень диффузии припоя значительно уменьшается или полностью отсутствует; предотвращение окисления расплавленного припоя в процессе пайки, для чего применяются соответствующие паяльные флюсы; паяние при температуре, близкой к температуре плавления  спаиваемой детали; медленное охлаждение после паяния (в горячем песке, горячих углях). Замечено, что при спаивании деталей, покрытых гальваническим путем другими металлами, шов не получается такой прочности, как при спаивании чистых металлов или сплавов. Это наблюдается при всех гальванических покрытиях (никелем, хромом, оловом, кадмием). Наоборот, пайка по горячему лужению оловом или оловянно-свинцовыми сплавами дает всегда более прочное соединение, чем по чистому металлу. Этот пример подтверждает влияние степени диффузии на прочность шва при паянии.

Лужение — процесс покрытия металлических поверхностей оловом или специальным сплавом на оловянной основе (полудой).

Припой — металл или сплав, который служит для соединения в расплавленном состоянии, в промежутке (шве) между деталями, поэтому припой должен иметь более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы.

    По своему составу припои разделяются на несколько групп, из которых наиболее  важная — оловянно-свинцовые припои.

Составы припоев

    Часто в связи с отсутствием сведений о припоях у работающего всегда имеется тенденция применять припои с высоким содержанием олова, хотя совсем не всегда в этом имеется необходимость. Правильность выбора припоя может быть гарантирована только тогда, когда известны его свойства.

В табл. указаны составы наиболее известных оловянно-свинцовых припоев.

Назначение припоев

ПОС 90 — для паяния внутренних швов пищевой посуды (электрочайники, кастрюли и т.п.); ПОС 40 — паяние латуни, железа и медных проводов; ПОС-30 - паяние латуни, меди, железа, цинковых и оцинкованных листов, белой жести, приборов, радиоаппаратуры, гибких шлангов и бандажной проволоки электромоторов; ПОС 18 — паяние свинца, железа, латуни, меди, оцинкованного железа, лужение дерева перед пайкой, заменитель припоя ПОС 40; ПОСС 4—6 — паяние белой жести, железа, меди, свинца при наличии клепаных замочных швов, заменитель припоя ПОС 30.

Свойства оловянно-свинцовыхприпоев

В табл. указаны свойства оловянно-свинцовых припоев по сравнению с чистыми металлами — свинцом и оловом. Наиболее важное свойство припоев — сопротивление срезу, так как большинство паяных соединений работает на срез.

    Оловянно-свинцовые припои марок ПОС 18, ПОС 30, ПОС 40 имеют более высокое сопротивление срезу, чем чистые олово и свинец, и потому применение их для получения прочного шва дает более хорошие результаты. Припои должны обладать как высоким сопротивлением разрыву, так и максимальной вязкостью. По данным таблицы можно установить взаимозаменяемость высокооловянных и малооловянных припоев. Например, припой ПОС 18 в отношении вязкости несколько лучше припоя ПОС 40, причем незначительно отличается от последнего по прочности. Припой ПОС 50 вполне может быть заменен припоем ПОС 40 и ПОС 30. Знания твердости важны в том отношении, что более твердые припои лучше сопротивляются истиранию, чем мягкие. Поэтому все преимущества в этом отношении будут за припоем ПОСС 4 — 6. Остальные припои (ПОС 18, ПОС 30 и ПОС 40) имеют несколько меньшую твердость. Ударная вязкость (сопротивление удару) имеет наибольшее значение для чистого олова, но припой ПОС 40 и ПОС 30 немногим отличается в этом отношении от олова. Поэтому припой ПОС 40 может быть применен в особых случаях, где места спайки подвергаются сильной вибрации. Для обычных условий работы, при небольших вибрациях, применяют припой ПОС 18. Температура плавления припоя имеет тоже большое значение: от нее зависит выбор метода паяния. Наиболее низкой температурой плавления обладает припой ПОС 62, содержащий 62 % олова. Этот припой применяют в случаях, когда при паянии нельзя перегревать детали, например при соединении очень тонких проводов. Возможность применения в таких случаях тройных легкоплавких сплавов, в которых низкая точка плавления достигается добавкой третьего компонента (например, висмута), исключается, в связи с тем что тройные сплавы не обладают такой высокой вязкостью, как двойные сплавы. Припой ПОС 62 теперь применяют мало, так как перегрева при паянии легко избежать, применив припой ПОС 40 очень тонкого сечения, например в виде проволоки диаметром 1—2 мм. Под действием паяльника расплавление тонкой проволоки происходит быстро, вследствие чего уменьшается до минимума время воздействия высокой температуры. Практика показала, что припой марки ПОСС 4—6 в отношении прочности спайки равноценен припою марки ПОС 30 для всех материалов, кроме оцинкованного железа и меди. При этом припой марки ПОС 40 в большинстве случаев обладает наибольшей прочностью и в этом отношении превосходит высокооловянный припой марки ПОС 62 и чистое олово. Поэтому для получения наибольшей прочности шва ни в коем случае не следует применять чистое олово. Припой марки ПОС 18 при паянии встык дает более высокую прочность спайки, чем припой марки ПОС 40. Поэтому припой ПОС 18 применяют, когда температура плавления припоя не имеет решающего значения.

Технологический процесс паяния

    Для получения наилучших результатов технологический процесс паяния должен состоять из следующих операций:

механической (шабером, напильником, наждачной бумагой) или химической очистки; покрытия флюсом; нагревания (паяльником, паяльной лампой, на горне); предварительного облуживания припоем (паяльником, или натиранием, или погружением в припой); скрепления мест для спаивания, покрытия их флюсом и нагревания; введения припоя, его расплавления и удаления излишков припоя, а также остатков флюса.

    Очистку спаиваемых поверхностей от окислов производят напильником или шабером так, чтобы промежуток между двумя поверхностями был везде одинаков и не превышал 0,1—0,3 мм. Такой небольшой промежуток необходим для образования капиллярных сил, которые способствуют засасыванию припоя на значительную глубину от кромки. Если спаиваемые поверхности имеют следы жира или масла, то их обрабатывают горячим раствором щелочи. Обычно берут 10 %-ный раствор соды. Если механически очистить детали по какой-либо причине нельзя, то применяют травление деталей в кислотах. Обычно берут 10 %-ный раствор серной кислоты для меди и ее сплавов, а для деталей из черных металлов — 10 %-ный раствор соляной кислоты, причем раствор должен быть подогрет до 50—70 °С. После очистки и подготовки деталей места спайки должны быть облужены. Предварительное лужение имеет весьма важное значение, так как в этом случае достигаются повышенные прочность и плотность спая. В случае невозможности предварительного лужения паяние ведут и по чистой поверхности, но результаты, конечно, будут более низкими. Для предварительного лужения применяется тот же припой, какой применяется и для последующего паяния. Если, например, паяние производится припоем марки ПОС 30, то и предварительное лужение должно быть осуществлено тем же припоем. Перед паянием детали скрепляют, чтобы места соединений не расходились при небольших механических воздействиях, например при наложении паяльника. Самый простой способ скрепления — обвязка мягкой проволокой, лучше железной, но, конечно, не исключены и другие способы, например сжатие струбцинами, загиб шва с образованием «замка». Метод паяния в значительной мере зависит от типа применяемого припоя. Наиболее характерные случаи паяния: паяльником с применением мягких припоев; ручной паяльной лампой с применением   обычно  твердых   припоев; электрическое паяние (место спая служит сопротивлением, через сопротивление пропускается ток низкого напряжения).

    При паянии паяльником обычно применяют припои, температура плавления которых не выше точки плавления свинца (327°С). Такое паяние производят тогда, когда детали не подвергаются большим нагрузкам или требуют в дальнейшем распаивания. Если детали подвергаются в процессе работы нагреванию до высоких температур, паяние паяльником с применением мягких припоев исключается. Подготовку паяльника для работы производят одновременно с подготовкой деталей. Паяльник слегка проковывают (частично для удаления нагара и окислов), зажимают в тиски и опиливают так, чтобы рабочая часть его была полукруглой. Если опиливать паяльник без предварительной проковки, то он скоро изнашивается. Конец паяльника делают полукруглым потому, что в этом случае он не так быстро охлаждается, как острый, лучше прогревает места спайки и равномернее разъедается жидким припоем. После механической подготовки паяльник облуживают, для чего нагревают его не выше 400 °С; конец паяльника опускают в водный раствор хлористого цинка, после чего горячим паяльником трут о кусок припоя до тех пор, пока вся рабочая часть не покроется слоем полуды. При работе паяльник должен иметь температуру, удовлетворяющую следующему требованию: если паяльник приложить рабочим местом к прутку припоя, часть припоя, прилегающая к паяльнику, должна расплавиться через 0,5—1 с. Во время работы температура паяльника должна быть такова, чтобы полуда или капли припоя, приставшие к паяльнику, были в жидком состоянии. Более удобный способ облуживания паяльника заключается в следующем: в куске нашатыря (хлористого аммония) делают небольшие углубления и туда кладут кусочки припоя. Проводя горячим паяльником вперед и назад по твердому нашатырю, одновременно касаются и припоя. Таким образом паяльник облуживается быстрее. Если нагретым паяльником коснуться шва и одновременно к шву подложить кусок припоя в виде прутка, ленты или проволоки, то припой расплавится и проникнет в шов. Излишек припоя разглаживают по шву паяльником. Припой также наносят на шов паяльником, так как к паяльнику всегда прилипают капли припоя, и если концом паяльника проводить по шву, жидкий припой всасывается в шов. Чтобы новые капли припоя перешли на паяльник, его снова отнимают от шва и прикладывают к куску припоя.

Лужение

Технологический процесс лужения состоит из следующих операций:

очистки поверхности от посторонних веществ металлической щеткой, песком, известью или наждачной бумагой; обезжиривания бензином или горячим водным раствором соды или едкого натра;  промывки в воде; химической чистки от окислов травления в кислотах; покрытия флюсами (хлористым цинком) кистью или погружением в водный раствор флюса;

подогревания до температуры плавления полуды и лужения. Лудят небольшие предметы паяльником, в случае надобности рабочей части паяльника придают формы облуживаемого предмета (например, полукруга при лужении трубок и проволоки).

Лужение больших предметов—баков и других емкостей — производят методом натирания. Для этого изделие смачивают раствором хлористого цинка и нагревают (на горне, углях и т. п.) до температуры плавления олова, после чего посыпают порошкообразной  смесью  олова  с  хлористым аммонием. Олово при этом плавится и, растертое каплей, образует на поверхности ровный слой полуды. После лужения остатки флюса отмывают горячей водой. При лужении пищевой посуды старую полуду проверяют на содержание свинца, для чего часть луженой поверхности смачивают 10—15 %-ным раствором уксусной кислоты. Через 2—3 мин на это же место наносят 5—6 капель 8—10 %-ного раствора йодистого калия, добавляют воды и растирают оба раствора по поверхности. При наличии свинца в полуде на смоченной поверхности появляется характерное желтое окрашивание раствора. В случае обнаружения свинца поверхность изделия протравливают смесью азотной и соляной кислот или же очищают пескоструйным аппаратом до полного удаления полуды.

Способы паяния

    Некоторые металлы или сплавы требуют специальных способов паяния.

Свинец. При нагревании свинец настолько быстро окисляется, что паяние его приходится вести в восстановительной атмосфере, которая предохраняет спаиваемые места от окисления и дает возможность припою легко соединяться с основным металлом. Восстановительная атмосфера образуется в результате применения для нагревания горелки в которую поступает водород и кислород воздуха, причем водород всегда должен быть в избытке. В качестве припоя применяют свинец. Применение свинцово-оловянных припоев нежелательно, так как шов тогда начинает корродировать в кислотах.

Цинк. Для паяния цинка применяют обычные свинцово-оловянные припои. Рекомендуем применять припой ПОС 30 в смеси с хлористым флюсом. Если цинк чистый, то при паянии его обычно применяют насыщенный раствор хлористого цинка или разбавленную соляную кислоту. Если паяется загрязненный цинк или цинковый сплав, то при использовании в качестве флюса соляной кислоты в месте травления образуется черное отложение (поэтому рекомендуется применять соляную кислоту с хлористым аммонием).  Заметим, что двойные флюсы в большей степени предохраняют металл от коррозии, чем обыкновенный флюс. При паянии свинцово-оловянными припоями лучше применять флюс, содержащий хлористый аммоний и насыщенный раствор хлористого цинка, взятые в соотношении 1:5 (по массе). Для оловянно-кадмиевых припоев в качестве флюса рекомендуют брать едкий натр. При паянии цинковых сплавов, содержащих свыше 2 % алюминия (детали, изготовленные способом литья под давлением), применяют те же методы, что и при паянии алюминия или сплавов. В этом случае применяют припои оловянно-цинковые, а в качестве флюсов берут соляную кислоту, вазелин или стеарин. Иногда применяют флюс, состоящий из 85 % стеариновой кислоты и 15 % хлористого натрия.

Чугун. Чтобы запаять трещину или иной дефект в чугунной детали мягким припоем, производят тщательную механическую очистку места паяния и хорошо смачивают его соляной кислотой. Затем это место обрабатывают водным раствором хлористого цинка, посыпают порошком нашатыря (хлористого аммония) и подогревают паяльником или паяльной лампой. Нагревать место пайки надо до тех пор, пока не станет плавиться поднесенный к нему припой. Тогда натирают припоем место спайки и сейчас же протирают его порошком нашатыря, нанесенного на густую металлическую щетку или паклю. Эта операция — предварительное лужение перед паянием. Пока деталь еще горячая, запаивают трещины или иные дефекты паяльником, перемещая его от одного конца трещины к другому. Если припой не проходит в трещину, надо острым зубильцем снять с обоих краев ее небольшую фаску, вылудить это место и снова произвести паяние. Излишек припоя снимается шабером или напильником.

Припаявшие металлов к стеклу, кварцу,   фарфору.   При   припаивании металла к стеклу и другим подобным материалам необходимо на место паяния осадить гальваническим способом слой   металла   и   далее   производить паяние обычным способом. Припаивание стеклянных изделий к металлу (например, при соединениях стеклянных трубок с металлическими фланцами и т. п.) производят так: предварительно поверхность стекла шлифуют наждачной бумагой, затем тряпкой в шероховатую поверхность втирается графит и на это место осаждают медь в гальванической ванне. Далее производится паяние и вторичное осаждение меди (или никеля).

Кварц. Кварцевую деталь тщател­но очищают и обезжиривают последовательной промывкой в азотной кислоте, щелочи и воде. На очищенную деталь наносят слой серебра с помощью двух растворов (содержание компонентов дано в граммах).

Растворы 1 и 2 сливают вместе и наносят на поверхность детали с таким расчетом, чтобы вся подлежащая серебрению площадь была покрыта раствором. Непосредственно перед серебрением деталь следует обработать в течение 1—2 мин 1 %-ным раствором хлористого олова и промыть дистиллированной водой. Процесс серебрения длится 20—30 мин до получения осадка золотистого оттенка. Посеребренную деталь ополаскивают и просушивают при 50—70 ⁰С. После просушки на полученный слой серебра электролитически наращивают слой меди требуемой толщины из кислой медной ванны. Точно так же производят серебрение и меднение на фарфоре.

Алюминий. Для паяния алюминия на паяльник надевают рифленый наконечник (рабочая часть его пропилена трехгранным напильником). Насадку изготовляют из стали марки У-7 и закаливают, с тем чтобы зубцы не на токарном станке, и ее конец спиливают. Трубку наседки пропиливают ножовкой на четыре части, это создает пружинистость насадки, и она плотно вставляется в рабочую часть обычного паяльника. Диаметр отверстия в насадке высверливают в соответствии с диаметром рабочего конца паяльника. Места спая тщательно очищают до блеска, на зубчики насадки берут расплавленную канифоль и наносят на спаиваемое место. Когда в процессе облуживания канифоль начнет покрывать алюминий, паяльник короткими движениями передвигают взад и вперед, и зубцы будут скоблить металл. Таким методом очищают всю поверхность места спая, после чего облуживают очищенные места. Затем приступают к паянию. Для этого берут на паяльник каплю олова, предварительно посыпанную канифолью, и подносят к облуженному месту. Если облуженное место шероховатое, то паяльником снимают эту шероховатость, которая представляет собой пористое олово, смешанное с частичками окиси алюминия, образующейся из-за недостатка флюса. Предварительно на место спая насыпают канифоль, берут на паяльник каплю олова и наносят на спаиваемый шов. Как только олово смочит место спая, паяльник снимают с металла. Затем паяние производят вторично, для этого место спая снова посыпают канифолью. При паянии алюминия, особенно в процессе его лужения, паяльник следует хорошо разогреть и длительное время держать на одном месте и после прогрева металла медленно водить по спаиваемому шву. Для паяния алюминиевых сплавов рекомендуются припои ПОС 50 и ПОС 90. Флюсом служит минеральное масло (особенно рекомендуется оружейное). Предварительно на спаиваемые швы наносят флюс и затем зачищают места пайки. Паяние ведут мощным, хорошо прогретым паяльником. Перед началом паяния металл следует хорошо прогреть. Для паяния алюминиевых сплавов выпускается и специальный припой П250А он состоит из 80% олова и 20% цинка. Флюсом служит смесь иодида лития (2- 3 г) и олеиновой кислоты (20 г): Перед работой паялькик необходимо облудить указанным припоем, пользуясь канифолью. Спаиваемые поверхности очищают от остатков флюса марлевым тампоном, смоченным в ацетоне.

Паяние изделий с тонкими швами. Для паяния таких изделий (например, цепочек, колец или иных ювелирных изделий) применяют специальный припой, состоящий из смеси равных, частей — борной кислоты, цинка (тонкого цинка), меди, фосфора, которые замешивают на касторовом масле. В этот припой изделия окунают, и припой проникает в стык изделия. Затем изделия присыпают тальком для удаления лишнего припоя, оставшегося нa поверхности изделия, после чего изделие интенсивно нагревают на газовой горелке с температурой 1000 °С. При быстром нагревании припой дает микровспышку, при этом температура повышается до. 1200 °С.  

Паяние твердили припоями. Для паяния изделий из меди и латуни, при паянии наиболее отвественных швов, применяют твердые припои, состоящие из сплава меди и цинка. К таким припоям относится латунь марки Л-63, которая содержит меди от 62 до 65 %, остальное цинк, а также припои с содержанием меди—51 %, цинка — 44 и олова — 5%. Добавка олова придает припою пластичность и улучшает растекаемость по металлу. Температура плавления припоя Л-63—950 °С, припоя с оловом — 860 °С. Для паяния тонких изделий применяют припои в виде опилок, на одну часть припоя берут одну часть флюса— прокаленную буру. Паяние производят в струе пламени от паяльной лампы.

Флюсы. При паянии флюсы играют роль химических растворителей и поглотителей окислов. В процессе паяния они  предохраняют металл от окисления и создают условия для смачивания металла припоем. При работе со свинцово-оловянными припоями в качестве флюсов применяют соляную кислоту, хлористый цинк, борную кислоту, буру, хлористый аммоний и др. К флюсам не производящим химического действия, относятся: канифоль, воск, вазелин, оливковое масло и др. Эти флюсы образуют покрытие на поверхности металла, защищающее его от окисления. Раствором соляной кислоты пользуются при паянии свинцово-оловянными и другими мягкими припоями. Хлористый цинк — хорошее флюсующее средство для паяния латуни, меди, железа и других металлов и сплавов. Для приготовления хлористого цинка, нарезав мелкими кусочками цинк, растворяют в соляной кислоте, и затем приготовленный хлористый цинк разбавляют равным объемом воды. Нашатырь (хлористый аммоний) хорошо растворяет жировые вещества. Буру применяют как в растворенном, так и в твердом виде. Вместо буры можно также брать порошок стекла. Жидкое стекло тоже применяют в качестве флюса. Флюс для паяния алюминия состоит из тунгового масла, канифоли и кальцинированного хлористого цинка, взятых в соотношении 3:2:1 (по массе). Для удаления окислов на алюминии при паянии применяют мелкие стальные опилки, которые в процессе паяния сдирают образующийся окисел.