Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Особенности пайки меди

Технически чистая медь М1 имеет высокие теплопроводность и электро­проводность и достаточно высокую коррозионную стойкость. Она устой­чива к атмосферной коррозии вслед­ствие образования на ее поверхности тонкой защитной пленки, состоящей из окисла Си₂О. Медь — относительно прочный (sв = 240 МПа) и пластичный металл (d = 45—50%). С уменьшением содержания в меди газовых примесей ее пластичность возрастает до 62%. При повышенных температурах проч­ность меди уменьшается, а пластич­ность возрастает. Ценным свойством меди является ее способность сохра­нять высокую пластичность до тем­пературы жидкого гелия (—269°С) [1].

Для повышения прочности меди и придания ей особых свойств (жаро­прочности, коррозионной стойкости и др.) ее легируют различными до­бавками. Сплавы на основе меди об­ладают высокими механическими свойствами и другими ценными ка­чествами.

Поэтому во многих отраслях техники для изделий, работающих в условиях повышенных и криогенных температур, в качестве основного металла широко применяются медь и ее сплавы, имею­щие необходимый комплекс свойств. Пайка этих материалов может про­изводиться всеми известными спосо­бами.

К числу особенностей меди и ее сплавов, влияющих на выбор способа пайки, относятся химическая стой­кость оксидов; содержание во многих сплавах легкоиспаряющихся элементов — цинка, кадмия, марганца; склонность кислородсодер­жащей меди и некоторых ее сплавов к водородной хрупкости; повышенная способность меди образовывать интерметаллиды с некоторыми компонентами припоев; повышенная способность меди и ее сплавов к хрупкому разрушению в контакте с жидкими припоями; повышенная горячеломкость некоторых медных спла­вов [4].

По степени трудности получения паяных соединений медные сплавы можно разделить на две группы:

1) медь и ее сплавы, об­разующие при нагреве под пайку и в процессе пайки оксиды с не­высокой свободной энергией образования и поэтому относительно легко удаляемые при флюсовой пайке;

2) сплавы, при нагреве на которых возникают оксиды с высокой свободной энергией их обра­зования.

К первой группе медных сплавов относится сама медь и ее сплавы, содержащие в основном следующие элементы: цинк, оло­во, свинец, фосфор, сурьму, железо, никель, марганец.

Обычное окисление поверхностного слоя меди на воздухе идет в основном по уравнению [4]

2Сu + О₂ + Н₂0 + СО = (СuОН)₂СО₃.

При содержании в воздухе S0₂ параллельно может протекать реакция [4]

8Сu + 5О₂ + Н₂О+ SО₂ = 2(СuSО₄·3Сu(ОН)₂).

В присутствии Н₂S образуется черная пленка из Сu₂S и СuS. Заметное взаимодействие меди с кислородом наступает уже при 200°С и идет по схеме Cu→Cu₂O→CuO. Оксид меди СuО на­чинает образовываться лишь после получения пленки оксида Сu₂О достаточной толщины (>0,25 мкм), что обусловлено тем, что такой процесс последовательного окисления развивается в основном в результате диффузии (сквозь пленку оксида СuО) ато­мов меди к кислороду (к поверхности). Первоначальная стадия окисления меди малозаметна, так как оксид Сu₂О мало отличает­ся по цвету от меди. Оксид СuО довольно устойчив, и его распад на Сu₂О и Сu начинается лишь при температуре около 800°С, а в чистом кислороде при температуре 1100°С [5].

На воздухе медь окисляется сравнительно быстро. Скорость роста оксидной пленки на меди зависит от температуры и времени нагрева. При температуре 495°С через 1 с толщина оксидной пленки достигает 1,8 мкм, че­рез 50 с – 5 мкм, через 70 с – 17 мкм. Для сохранения очищенной поверхности меди от окисления на нее наносят лужением слой при­поя Sn-Рb или Sn толщиной 3-5 мкм. Слой полуды из олова со­храняет паяемость меди весьма длительно; слой полуды из при­поев типа ПОС из-за образования при вылеживании на его гра­нице с медью хрупких прослоек интерметаллидов ухудшает паяемость луженой меди, так как в результате расхода олова из слоя полуды припоями типа ПОС на образование химических со­единений луженая поверхность обогащается свинцом.

На поверхности сплавов системы Сu-Zn-Sn (а также спла­вов меди, содержащих Рb, Аs, Fe, Ni, Мn) образуются оксиды на основе СuО и Сu₂О или оксиды на основе других элементов первой группы периодической системы со сравнительно невысокой свобод­ной энергией их образования, а потому относительно легко диссоциирующих при низкотемпературной пайке. Тонкие слои оксидов Сu₂О и СuО растворимы в канифоли.

Наиболее широко применяется пайка паяльником, газовыми горелками, по­гружением в расплавленный припой и в печах. Пайка низкотемператур­ными припоями нашла большое при­менение благодаря простоте и общедо­ступности этого способа. Ограничения в ее применении вызваны лишь тем, что паяльником можно осуществлять пайку только тонкостенных деталей при температуре 350°С. Массивные детали вследствие большой теплопроводности, превышающей в 6 раз теплопроводность железа, паяют газовыми горел­ками. Для трубчатых медных тепло­обменников применяется пайка по­гружением в расплавы солей и при­поев. При пайке погружением в рас­плавы солей используют, как правило, соляные печи-ванны. Соли обычно служат источником тепла и оказывают флюсующее действие, поэтому допол­нительного флюсования при пайке не требуется. При пайке погружением в ванну с припоем предварительно офлюсованные детали нагревают в рас­плаве припоя, который при темпера­туре пайки заполняет соединительные зазоры. Зеркало припоя защищают активированным углем или инертным газом. Недостатком пайки в соляных ваннах является невозможность в ряде случаев удаления остатков солей или флюса.

Широкое распространение в промы­шленности находит пайка в печах, поскольку при этом обеспечивается равномерный нагрев соединяемых из­делий без их деформации даже при больших габаритах изделий [З].

При пайке изделий из меди оловянно-свинцовыми и другими легкоплав­кими припоями используют обычно канифольно-спиртовые флюсы, водные растворы хлористого цинка или хло­ристого аммония [5, 6].

Пайка серебряными припоями ус­пешно идет при применении флюсов на основе соединений бора и фтористых соединений калия. Эти флюсы хорошо очищают поверхность меди от окисной пленки и способствуют растеканию припоя. Недостатком флюсовой пайки меди является трудность получения при этом способе герметичных соединений. Кроме того, остатки флюса являются очагами коррозии. Поэтому пайку меди чаще всего осуществляют в вос­становительных или нейтральных га­зовых средах. В азоте пайку меди мо­жно производить при температуре 750-800 °С.

Недостатки этого метода — слож­ность оборудования по очистке азота, а также невозможность осу­ществлять пайку при температуре ни­же 750 °С [4, 6]. Применяется пайка меди и в среде аргона припоем ЛС59-1 с дополнительным флюсованием мест пайки водным раствором буры.

Пайку в вакууме успешно применя­ют для соединений многих металлов, в том числе и меди. Этот вид пайки достаточно экономичен, совершенно бе­зопасен и производится в вакуумных печах или контейнерах, загруженных в обычные печи. Паяные швы, полу­ченные при использовании нагрева в вакууме, отличаются чистотой ис­полнения, прочностью металла шва и высокой коррозионной стойкостью. К недостаткам способа пайки в ваку­уме следует отнести сложность при­меняемого оборудования [2, З]. Соединение меди при низкотемпера­турной пайке производится стан­дартными оловянно-свинцовыми при­поями ПОССу 30—0,5; ПОС 40; ПОССу 40—0,5, ПОС 61 и свинцово-серебряными припоями ПСр 1,5; ПСр 2,5; ПСр 3 с использованием флю­сов на основе хлористого цинка или канифольно-спиртовых. Соединения, паянные оловянно-свинцовыми при­поями, теплостойки до температур 100—120 °С. При снижении темпера­туры до —196…—253 °С предел проч­ности этих соединений увеличивается в 1,5—2,5 раза, достигая 45—75 МПа, при этом пластичность соединений резко снижается.

Хрупкость оловянно-свинцовых и паянных ими соединений при низких температурах объясняется аллотро­пическим превращением олова и об­разованием в шве хрупких интерметаллидов, которые при низких тем­пературах являются очагами развития трещин [5]. Для оловянно-свинцовых сплавов, содержащих менее 15% олова, падения ударной вязкости не происходит. Это обусловлено тем, что свинец, являясь основой

сплава, с понижением температуры увеличивает ударную вязкость, давая до всех случаях вязкий излом. Высо­кая пластичность свинца делает его нечувствительным к надрезу. Поэтому вполне закономерны стремления при­менять для пайки изделий криогенной техники припои на основе свинца с содержанием олова менее 15%. Однако практика их применения пока­зала, что они нетехнологичны, плохо смачивают паяемый металл и не за­текают в соединительные зазоры. На­пример, применение припоя на основе свинца, легированного серебром (при­пой ПСр 3), позволяет получать теп­лостойкие и хладостойкие соединения из меди. Введение в этот припой 5 % Sn (ПСр 2,5) улучшает его техноло­гические свойства, однако при 20 °С соединения, паянные припоями ПСр 3 и ПСр 2,5, имеют низкую прочность; предел прочности при срезе 12— 18 МПа.

Легирование свинца оловом до 16 % и кадмием до 5 % делает припой ПСр 1,5 более технологичным, однако он становится малопластичным даже при температуре 20°С. Применение кадмиевых припоев тре­бует специального навыка, так как технологичность их значительно ниже, чем у оловянно-свинцовых. Соедине­ния меди кадмиевыми припоями ПСр 5КЦН, ПСр 8КЦН теплостойки до температуры 350 °С, но отличаются низкой прочностью (sв = 29 МПа) из-за образования в шве хрупких интерметаллидов; нехладостойки.

Припои на основе цинка редко при­меняют для пайки меди ввиду интен­сивного растворения ее в расплаве припоя. При этом предел прочности на срез не превышает 15 МПа. Цинко­вые припои, легированные медью и серебром, также плохо растекаются по меди. Легирование этих припоев оловом и кадмием (ПЦА 8М, ПЦКд ПСрСУ 25—5—5) хотя и несколько улучшает их растекаемость, но швы становятся хрупкими.., Для пайки меди находят также при­менение припои на основе медно-фосфористой эвтектики с добавлением серебра. Швы, паянные этими при­поями, достаточно прочны (sв = 250— т-300 МПа), теплостойки до 800°С, но непластичны. В условиях низких температур прочность соединений ме­ди, паянных этими припоями, увели­чивается, но пластичность резко па­дает.

Широкое применение для пайки медных конструкций находят припои ПСр 45, ПСР 40, ПСр 25, ПСр12.Пайку этими припоями осуществляют нагревом ацетилено-кислородным пла­менем или в печах с использованием коррозионно-активных флюсов ПВ209, ПВ284Х. После пайки остатки флюса необходимо удалять промывкой в го­рячей воде. Пайку теплообменной ап­паратуры осуществляют с применением припоя ПСр 72 или ПСр 71 в вакууме.

При пайке изделий из медных спла­вов, конструкция которых позволяет производить пайку под давлением, в качестве припоя можно использовать серебряное покрытие (10—25 мкм) или тонкую серебряную фольгу. При нагреве выше 779°С медь взаимодейст­вует с серебром с образованием в шве сплава типа припоя ПСр 72. Пайка этим методом (контактно-реактивным) осуществляется без применения флю­са — в вакууме или в инертной среде. Припои па медной основе тугоплавки и вызывают растворение (эрозию) ос­новного металла, поэтому для пайки меди их применяют реже, чем серебряные.

Диффузионная пайка меди может быть выполнена галлием, индием, оло­вом, свинцом, припоями ПОССу 40—2, ПОС 61 путем поджатия деталей в ва­кууме или аргоне при температурах 650—800 °С и длительных выдерж­ках. Припой в место пайки можно на­носить напылением в вакууме, галь­ваническим способом или в виде тон­кой фольги.

Капиллярную пайку меди низко­температурными припоями можно произодить при зазорах 0,05—0,5мм и температурах 650—900°С в вакууме или аргоне. При этом соединения меди, паянные индием, галлием, оловом, припоями ПОС 61 и ПОС 40, хрупкие и малопрочные, предел прочности на срез не превышает 40—70 МПа.

При пайке меди свинцом соединения хотя и малопрочны, но пластичны. При применении припоя системы Рb—Аg—Sn—Ni (ПСр 7,5) можно обеcпечить предел прочности при растяжении 140 МПа с достаточно высокой пластичность