книги / Справочник по пайке

ПАЙКА СПЕЧЕННЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

Спеченные твердые сплавы состоят из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобаль­ та. Твердые сплавы изготовляют методом прессования из смеси тонкоразмолотых по­ рошков карбида и металла с последующим спеканием в защитной атмосфере при 1400 1600 °С. По ГОСТ 3882-74 промышленность выпускает три типа спеченных твердых спла­ вов: вольфрамовые, титано-вольфрамовые и титано-тантало-вольфрамовые.

Приготовленные методом спекания пла­ стины твердого сплава припаивают к корпусу инструмента, изготовленного из углеродистой стали. Коэффициент линейного расширения применяемых сталей в 2 - 3 раза больше, чем у твердого сплава. Это обстоятельство требует, чтобы нагрев и охлаждение твердосплавного инструмента при пайке происходили равно­ мерно; в противном случае на пластинах твер­ дого сплава образуются трещины. Влияние разности коэффициентов линейного расшире­ ния стали и твердого сплава снижают приме­ нением компенсационных прокладок, изготов­ ленных из сплава железа с никелем (45 % Ni) и устанавливаемых при пайке между двумя со­ единяемыми материалами.

Перед пайкой пластины твердого сплава очищают песком и шлифуют по опорным плоскостям шлифовальными кругами. Подго­ товленные для пайки пластины не должны иметь трещин, расслоений и посторонних включений. В корпусе инструмента фрезеруют паз по конфигурации пластины, куда устанав­ ливают для припайки предварительно обезжи­ ренную и очищенную пластину. Паз под пла­ стину должен быть ровным, не иметь завалов, ступенек и заусенцев. Пластина должна быть хорошо пригнана к основной грани паза.

Во избежание выпадения пластины из па­ за во время пайки ее предварительно закреп­ ляют. Крепление проволокой неудобно тем, что она всегда припаивается к корпусу и для своего удаления требует дополнительной ме­ ханической обработки. Кроме того, проволока нагревается быстрее твердого сплава, что при­ водит к образованию трещин в местах касания пластин с проволокой, поэтому такой метод крепления применяют очень редко. Закрепле­ ние хрупких пластин твердого сплава чеканкой и клиньями иногда приводит к их поломке. Наиболее приемлемым способом считают за­

крепление пластин при помощи компенсаци­ онных прокладок различной толщины техноло­ гической стенки. При контактной пайке или при пайке нагревом ТВЧ применяют различ­ ные приспособления для крепления и прижима пластины твердого сплава к державке.

Спеченные твердые сплавы можно паять методами электросопротивления, нагревом ТВЧ, в вакуумных печах, в восстановительных и инертных средах, а также погружением в расплавленный припой. Пайка инструмента электросопротивлением состоит в том, что подготовленную под пайку пластину ветавляют в корпус инструмента, который зажимают между контактами сварочной машины. Перед включением тока пластину посыпают порош­ ком флюса, сверху кладут припой, который также покрывают флюсом. Чтобы не происхо­ дил перегрев, ток в процессе нагрева включают периодически. Во время расплавления флюса следят за тем, чтобы он был в достаточном количестве и смачивал соединяемые поверхно­ сти; в противном случае флюс добавляют. В момент начала расплавления припоя ток вы­ ключают и дают возможность припою растечь­ ся по пластине и заполнить зазор. Пластину поджимают к державке до температуры 800 °С, затем давление снимают до момента прекра­ щения растекания припоя и продолжают при­ жимать до полной кристаллизации припоя. При пайке с нагревом ТВЧ большое значение имеет правильный выбор формы и размеров индукто­ ра. Последовательность пайки следующая: в паз державки вносят небольшое количество флюса, укладывают компенсационную про­ кладку, покрывают ее тем же флюсом, после чего укладывают пластину. На пластину в зоне соединения с державкой помещают припой, который также покрывают флюсом. Собран­ ный так инструмент помещают в индуктор. Ток включают периодически. Скорость нагрева для лучшего смачивания припоем и уменьшения окисления пластины и перегрева стали держав­ ки должна быть строго определена и составля­ ет 30 °С/с - для инструмента с поперечным сечением до 150 мм2 и 60 °С/с - для инстру­ мента с поперечным сечением до 1000 мм2

При пайке твердосплавного инструмента важным условием получения качественного соединения является обеспечение равномерно­ го нагрева. Для этой цели инструмент поме­ щают в индуктор так, чтобы в первую очередь нагреть корпус инструмента и за счет его теп­ лопроводности прогреть пластину твердого

сплава. После прогрева для выравнивания тем­ пературы инструмент передвигают и произво­ дят нагрев места пайки. Во время пайки поло­ жение пластины в пазу поправляют (если нет зажимного приспособления) фарфоровой или асбестовой палочкой. Спаянный инструмент охлаждают в печи или на спокойном воздухе, для чего его укладывают на кирпичные, асбе­ стовые, керамические и другие подставки. При охлаждении в печи инструменту дают отпуск при 200 250 °С в течение 6 ч. В результате нагрева изделия при пайке твердость корпуса инструмента снижается, поэтому он нуждается в дополнительной термической обработке. Если требуется закалка, то ее производят сразу же после пайки. Для предотвращения появле­ ния трещин на пластинах их закаливают в сре­ де с температурой 260 320 °С.

Пайку инструмента можно осуществить в вакуумной печи и в печи с восстановительной атмосферой припоем Г30Д60НХЦ(П65). При этом вольфрамовые пластины и твердые спла­ вы на основе карбида титана не требуют при­ менения высокоактивных флюсов независимо от того, на какую сталь их напаивают. Труд­ ность печной пайки в основном сводится к креплению пластины к корпусу инструмента. Наиболее рациональным способом крепления пластин при этом методе пайки является кернение или прихватка проволокой с предвари­ тельным размещением компенсационной про­ кладки, припоя и флюса. Пайку инструмента погружением в расплавленный припой обычно применяют для совмещения пайки с термиче­ ской обработкой корпуса. Процесс пайкизакалки состоит из трех основных операций: предварительного нагрева в соляной ванне до 800 850 °С, пайки погружением в расплавлен­ ный припой и закалки инструмента. Предвари­

осуществляют в ванне, содержащей 70 % ВаС12, 30 % NaCl. Закалку сплавов марок ВК8 и Т15К6 производят в расплаве солей при 380 400 °С состава: 70 % КОН, 30 % NaOH. Для сплава Т15К6 после основной закалки необходима дополнительная закалка в нагретой до 180 200 °С селитре.

При пайке погружением требуется тща­ тельное крепление пластины к державке и об­ работка собранного под пайку инструмента в кипящем насыщенном водном растворе буры (для вольфрамовых пластин) или в растворе с 35 % фтористого калия (для пластин на основе карбида титана).

В связи с резким различием ТКЛР соеди­ няемых материалов пайку твердосплавного инструмента нельзя вести при высоких темпе­ ратурах. Наилучший результат, т.е. наиболь­ шая долговечность инструмента, достигается при пайке серебряными припоями, легирован­ ными для повышения теплостойкости никелем или марганцем, однако из-за дефицитности серебряные припои применяют редко. Наи­ большее распространение получили медно­ цинковые припои типа Л63, легированные для повышения теплостойкости небольшими до­ бавками никеля, марганца или алюминия, обеспечивающими высококачественные соеди­ нения. В качестве флюса употребляют буру или буру с добавками ферромарганца, фтори­ стого калия или борной кислоты [5, 7, 20].

Практика показала, что при пайке твер­ дых сплавов группы WC-Co с большим содер­ жанием кобальта стандартные флюсы ПВ200 и ПВ201 обеспечивают получение качественных соединений, но при пайке сплавов группы WC- TiC-Co и WC-Co с малым содержанием ко­ бальта (Т15К6 и Т30К4) активность этих флю­ сов недостаточна, поэтому требуется вводить дополнительные операции подготовки поверх­ ности твердого сплава: пескоструйную или дробеструйную, электрохимическую или хи­ мико-механическую. Эти операции необязатель­ ны при применении флюса марки Ф100 следую­ щего состава: 46,5 % KBF4, 36,5 % Na2B40 7, 13,5 % W 03 и 3,5 % Со20 3. Флюс плавится при 500 °С и имеет температуру активного дейст­ вия 900 1100 °С. Использование этого флю­ са позволяет в 4 - 8 раз увеличить площадь растекания припоя по поверхности твердого сплава и повысить прочность паяных соедине­ ний; содержание в его составе токсичных фто­ ристых соединений является его недостатком. Этот флюс целесообразно применять только на мелкосерийных предприятиях при условии хорошей вентиляции на рабочих местах. На крупных предприятиях вместо флюса Ф100 применяют стандартные флюсы, но поверхно­ сти твердого сплава обрабатывают специаль­ ным методом. Сущность этого метода заклю­ чается в нагреве сплава в печах в атмосфере воздуха до 800 °С в течение 10 30 мин с последующим удалением окисленного слоя во вращающемся барабане со смесью речного песка, древесных опилок и раствора каустиче­ ской соды.

В настоящее время для замены дефицит­ ных серебряных припоев рекомендован ряд

сплавов на Cu-Mn (П65) и CuZn основе. Наряду с литыми припоями в последние годы разрабо­ таны порошковые сплавы П-100, П-102 и трех­ слойный припой марки ТП-1. Эти припои по­ зволяют паять соединения с некапиллярными зазорами, т.е. более 0,3 мм. Порошковый при­ пой П-100 имеет 7 ^ = 870 °С и состав: 2 % Сг; 5 % Ni; 8 % Мп; 15 % Fe; 23 % Zn; Си - осталь­ ное и 15 20 % порошка стали Х18Н15 (на­ полнителя). Припой может быть использован в виде прессованных пластин и пасты.

Припой ТП-1 представляет собой триметаплическую полосу, полученную прокаткой. Плавящиеся в процессе пайки наружные слои толщиной 0,2 мм состоят из латуни марки ЛНМц 50-2-2, имеющей 7 ^ = 872 °С. Внутрен­ ний слой не плавится в процессе пайки и слу­ жит прокладкой; изготовлен из бронзы марки БрНБ7-0,5 толщиной 0,4 мм и имеет 7^= 1126 °С. Главным преимуществом трехслойного припоя является получение паяного шва достаточной прочности, способного компенсировать раз­ ность сокращения размеров стали и твердого сплава при охлаждении паяного соединения в большей степени, чем все известные припои, в том числе и серебряные. Припой ТП-1 меньше, чем другие припои, деформируется во всем температурном интервале (от температуры солидуса наружных слоев до 20 °С). Это объ­ ясняется низким пределом текучести металла паяного шва, не превышающим во всем темпе­ ратурном интервале охлаждения 132 МПа. Снижению паяльных остаточных напряжений в паяном шве и твердом сплаве способствует и толщина паяного шва, равная в этом случае 0,7 0,8 мм.

Для получения качественных паяных со­ единений помимо правильно выбранных при­ поя и флюса требуется также выбрать сталь для корпуса инструмента, режимы пайки и термической обработки [5, 7]. Нагрев под пай­ ку следует производить на высокочастотных установках, имеющих частоту тока 2,5 8,5 кГц, дающих более глубокий и равномерный на­ грев, чем установки, имеющие частоту 60 кГц [2,3].

ПАЙКА ЧУГУНА

Основная трудность при пайке чугуна - наличие в его структуре графита, затрудняю­ щего смачивание поверхности основного ме­ талла расплавленным припоем. Для удаления графита обычно применяют пескоструйную

обработку с последующим выжиганием графи­ та окислительным пламенем газовой горелки или удаление его электрохимической обработ­ кой в соляной ванне при 450 510 °С. При низкотемпературной пайке чугуна оловянно­ свинцовыми или другими легкоплавкими при­ поями паяемые поверхности можно подгото­ вить путем их обработки флюсами ПВ209 или ПВ284Х при 600 700 °С или электрохимиче­ ским методом в соляной ванне, а затем обез­ жирить бензином, ацетоном или раствором щелочи. Пайку нужно производить паяльником или газовой горелкой с применением флюсов на основе хлористого цинка. Наиболее просто пайку чугуна осуществляют при использова­ нии флюсов на основе хлористого цинка с до­ бавками хлористых солей меди и олова. Для облегчения пайки легкоплавкими припоями применяют гальваническое лужение или кон­ тактное меднение в растворе медного купороса.

Высокотемпературную пайку чугуна производят припоями на основе меди, напри­ мер латунью. Иногда применяют серебряные припои, которые содержат никель, имеют сравнительно низкие температуры плавления и образуют прочные паяные соединения. При высокотемпературной пайке чугуна более це­ лесообразно применять такие активные флюсы, как ПВ209 и ПВ284Х, которые растворяют графит на поверхности чугуна в процессе пай­ ки, благодаря чему обеспечивается надежное смачивание припоем соединяемых поверхно­ стей. Главное преимущество пайки чугунов серебряными припоями с флюсами ПВ209 или ПВ284Х в том, что нет необходимости прини­ мать меры по удалению графита, а также и в том, что при пайке серебряными припоями при температурах до 900 °С чугун не перегревает­ ся. Перегрев чугуна связан со структурными превращениями, что при последующем его охлаждении ведет к выделению хрупкого це­ ментита. Поэтому применение меди для пайки чугунов следует ограничивать ввиду высокой температуры ее плавления. Припои, содержа­ щие фосфор, не применяют вообще из-за обра­ зования в швах хрупких железофосфорных соединений.

Нагрев при пайке чугуна можно произво­ дить газовой горелкой или паяльной лампой до температуры не выше 900 °С; при этом пламя должно быть только нейтральным. Для снятия внутренних напряжений и упрочнения паяных соединений чугунные изделия сразу же после

течение 20 мин. Пайку в печах с контролируе­ мой атмосферой производят с флюсом, кото­ рый улучшает смачивание основного металла и затекание припоя в зазор.

Пайку дефектных участков (усадочных раковин, пор и трещин) чугунных литых дета­ лей осуществляют с применением оловянно­ свинцовых припоев. Чаще всего применяют припой ПОСЗО с использованием в качестве флюса водного раствора хлористого цинка с добавками хлористых солей меди и олова. Паяют только после механической зачистки и лужения соединяемых поверхностей. Последо­ вательность лужения: места пайки очищают от литейной корки проволочной щеткой; очищен­ ную поверхность обезжиривают бензином или раствором щелочи и затем наносят флюс; рав­ номерно прогревают место пайки газовой го­ релкой до температуры, при которой начинает плавиться припой; после лужения дефекты запаивают, применяя для этой цели паяльник или горелку. После пайки изделие тщательно промывают горячей и холодной водой.

ПАЙКА МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ

Технически чистая медь имеет высокие теплопроводность и электропроводность и достаточно высокую коррозионную стойкость. Она устойчива к атмосферной коррозии вслед­ ствие образования на ее поверхности тонкой защитной пленки, состоящей из окисла Си20. Медь - относительно прочный (ств = 240 МПа) и пластичный металл (8 = 45 50 %). С умень­ шением содержания в меди газов ее пластич­ ность возрастает до 62 %; при повышенных температурах прочность меди уменьшается, а пластичность возрастает. Ценным свойством меди является ее способность сохранять высо­ кую пластичность до температуры жидкого гелия (-269 °С).

Для повышения прочности меди и прида­ ния ей особых свойств (жаропрочности, корро­ зионной стойкости и др.) ее легируют различ­ ными добавками. Сплавы на основе меди обла­ дают высокими механическими свойствами и другими ценными качествами. Поэтому во многих отраслях техники для изделий, рабо­ тающих в условиях повышенных и криогенных температур, в качестве основного металла ши­ роко применяются медь и ее сплавы, имеющие необходимый комплекс свойств. Пайка этих материалов может производиться всеми из­ вестными способами.

Наиболее широко применяется пайка па­ яльником, газовыми горелками, погружением в расплавленный припой и в печах. Пайка низко­ температурными припоями нашла большое применение благодаря простоте и общедоступ­ ности этого способа. Ограничения в ее приме­ нении вызваны лишь тем, что паяльником можно осуществлять пайку только тонкостен­ ных деталей при температуре до 350 °С. Мас­ сивные детали вследствие большой теплопро­ водности, превышающей в 6 раз теплопровод­ ность железа, паяют газовыми горелками. Для трубчатых медных теплообменников применя­ ется пайка погружением в расплавы солей и припоев. При пайке погружением в расплавы солей используют, как правило, соляные печиванны. 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 дета­ ли нагревают в расплаве припоя, который при температуре пайки заполняет соединительные зазоры. Зеркало припоя защищают активиро­ ванным углем или инертным газом. Недостат­ ком пайки в соляных ваннах является невоз­ можность в ряде случаев удаления остатков солей или флюса.

Широкое распространение в промышлен­ ности находит пайка в печах, поскольку при этом обеспечивается равномерный нагрев со­ единяемых изделий без их деформации даже при больших габаритах изделий [3].

При пайке изделий из меди оловянно­ свинцовыми .и другими легкоплавкими при­ поями используют обычно канифольно­ спиртовые флюсы, водные растворы хлористо­ го цинка или хлористого аммония [9, 17, 20].

Пайка серебряными припоями успешно идет при применении флюсов на основе соеди­ нений бора и фтористых соединений калия. Эти флюсы хорошо очищают поверхность ме­ ди от окисной пленки и способствуют растека­ нию 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 температурах 750 800 °С. Недостатки этого метода - сложность оборудования по очистке азота, а также отсутствие возможности осуществлять пайку при температуре ниже

750 °С [15]. 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 ваку­ умных печах или контейнерах, загружаемых в обычные печи. Паяные швы, полученные при использовании нагрева в вакууме, отличаются чистотой исполнения, прочностью металла шва и высокой коррозионной стойкостью. К недос­ таткам способа пайки в вакууме следует отнести сложность применяемого оборудования [2, 3].

Соединение меди при низкотемператур­ ной пайке производится стандартными оло­ вянно-свинцовыми припоями ПОССуЗО-0,5; ПОС40; ПОССу40-0,5, ПОС61 и свинцово­ серебряными припоями ПСр 1,5; ПСр2,5; ПСрЗ с использованием флюсов на основе хло­ ристого 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 увели­ чивается в 1,5 - 2,5 раза, достигая 45 75 МПа; при этом пластичность соединений резко сни­ жается.

Хрупкость оловянно-свинцовых припоев и паянных ими соединений при низких темпе­ ратурах объясняется аллотропическим превра­ щением олова и образованием в шве хрупких интерметаллидов, которые при низких темпе­ ратурах являются очагами развития трещин [8, 17]. Для оловянно-свинцовых сплавов, со­ держащих менее 15 % олова, падения ударной вязкости не происходит. Это обусловлено тем, что свинец, являясь основой сплава с пониже­ нием температуры увеличивает ударную вяз­ кость, давая во всех случаях вязкий излом. Высокая пластичность свинца делает его не­ чувствительным к надрезу. Поэтому, несмотря на низкую технологичность свинцовых припо­ ев, вполне закономерны стремления применять для пайки изделий криогенной техники припои на основе свинца с содержанием олова менее 15 %. Например, применение припоя на основе свинца легированного серебром (припой ПСрЗ), позволяет получать теплостойкие и хладостой­ кие соединения меди. Введение в этот припой 5 % Sn (ПСр2,5) улучшает его технологические свойства однако при 20 °С соединения, паян­ ные припоями ПСрЗ и ПСр2,5, 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 мало­ пластичным даже при температуре 20 °С.

Применение кадмиевых припоев требует специального навыка так как технологичность их значительно ниже, чем у оловянно-свин­ цовых. Соединения меди, паянные кадмиевыми припоями ПСр5КЦН, ПСр8КЦН, теплостойки до температуры 350 °С, но нехладостойки. При этом они отличаются низкой прочностью (ств = 29 МПа) из-за образования в шве хрупких интерметаллидов.

Припои на основе цинка редко применя­ ют для пайки меди ввиду интенсивного рас­ творения ее в расплаве припоя. При этом пре­ дел прочности на срез не превышает 15 МПа. Цинковые припои, легированные медью и се­ ребром, также плохо растекаются по меди. Легирование этих припоев оловом и кадмием (ПЦА8М, ПЦКдПСрСУ25-5-5) хотя и несколь­ ко улучшает их растекаемость, но швы стано­ вятся хрупкими.

Для пайки меди находят также примене­ ние припои на основе медно-фосфористой эвтектики с добавлением серебра. Швы, паян­ ные этими припоями, достаточно прочны (ств = 250 300 МПа), теплостойки до 800 °С, но непластичны. В условиях низких темпера­ тур прочность соединений меди, паянных эти­ ми припоями, увеличивается, но пластичность резко падает.

Широкое применение для высокотемпе­ ратурной пайки медных конструкций находят припои ПСр45, ПСр40, ПСр25, ПСр 12. Пайку этими припоями осуществляют нагревом аце­ тилено-кислородным пламенем или в печах с использованием коррозионно-активных флю­ сов ПВ209, ПВ284Х. После пайки остатки флюса необходимо удалять промывкой в горя­ чей воде. Пайку теплообменной аппаратуры осуществляют с применением припоя ПСр72 или ПСр71 в вакууме или аргоне.

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 ПСр72. Пайка этим методом (контакт­ но-реактивным) осуществляется без примене­ ния флюса - в вакууме или инертной среде.

Припои на медной основе тугоплавки и вызы­ вают растворение (эрозию) основного металла, поэтому для пайки меди их применяют реже, чем серебряные.

Диффузионная пайка меди может быть выполнена галлием, индием, оловом, свинцом, припоями ПОССу40-2, ПОС61 путем поджатия деталей в вакууме или аргоне при температу­ рах 650 800 °С и длительных выдержках. Припой в место пайки можно наносить напы­ лением в вакууме, гальваническим способом или в виде тонкой фольги.

Капиллярную пайку меди низкотемпера­ турными припоями можно производить при зазорах 0,05 0,5 мм и температурах 650 900 °С в вакууме или аргоне. При этом соеди­ нения меди, паянные индием, галлием, оловом, припоями ПОС61 и ПОС40, хрупкие и мало­ прочные; предел прочности на срез не превы­ шает 40 70 МПа.

При пайке меди свинцом соединения хотя и малопрочны, но пластичны. При применении припоя системы Pb-Ag-Sn-Ni (ПСр7.5) можно обеспечить предел прочности при растяжении 140 МПа с достаточно высокой пластичностью, угол изгиба образца, паянного встык, 130° [21].

Пайка латуней

Процесс пайки латуней имеет свои осо­ бенности ввиду образования на ее поверхности оксидной пленки и испарения цинка при нагреве. На латунях, содержащих до 15 % Zn, оксиды состоят из Си20 с внедренными в нее частица­ ми ZnO. В сплавах меди с большим содержа­ нием цинка слой оксида состоит в основном из ZnO, удаление которого более сложно, чем Си20.

Особенность низкотемпературной пайки латуней оловянно-свинцовыми и другими ана­ логичными припоями заключается в том, что удаление оксидной пленки с поверхности ла­ туней не обеспечивается канифольно-спирто­ выми флюсами. Для этого необходимо приме­ нять более активные флюсы. Например, при пайке латуней ЛС59-1-1, Л63 используют флю­ сы на основе хлористого цинка с добавками азотной кислоты.

Латунь медленнее, чем медь, растворяет­ ся в расплавах оловянно-свинцовых припоев, поэтому при ее пайке медленнее растут интерметаллидные слои, что должно положительно влиять на механические свойства паяных со­ единений. Однако соединения, полученные при

пайке латуни Л63 оловянно-свинцовыми при­ поями, имеют более низкую прочность по сравнению с медью в тех же условиях. Напри­ мер, предел прочности соединений меди встык, паянных оловом, составляет 90 МПа, свинцом - 36 МПа, а соединений из латуни - соответст­ венно 59 и 26 МПа. Снижение предела прочно­ сти соединений латуни связывают с пористо­ стью в швах, которую объясняют испарением цинка и попаданием его паров в жидкий при­ пой. Порообразование наблюдается после пай­ ки как низкотемпературными, так и высоко­ температурными припоями.

Высокотемпературную пайку латуни в печах с восстановительной или нейтральной атмосферой применяют ограниченно из-за ис­ парения цинка. Пайка латуней в газовых средах возможна только с предварительным флюсова­ нием мест пайки. Например, латунь, содержа­ щую до 3 % свинца и кремния (ЛКС80-3-2), удовлетворительно паяют в газовых средах медно-фосфористыми и серебряными припоя­ ми, но с обязательным использованием флю­ сов. Латунь паяют в печи без флюса только в том случае, если она предварительно покрыта слоем меди или никеля, предохраняющим от испарения цинка.

Детали из латуни можно паять и в соля­

Для улучшения затекания припоя в зазор в раствор ванн добавляют 4 5 % флюса, со­ держащего фтороборат калия или буру. При нагреве изделий в пламени газовых горелок и в печах также происходит испарение и окисле­ ние цинка, что ухудшает растекание припоев. При пайке латуни горелкой в восстановитель­ ном пламени испарение и окисление цинка удается несколько уменьшить; при этом порис­ тость в паяных швах уменьшается.

Для пайки латуней, богатых медью, ис­ пользуют серебряные припои ПСр72, ПСр40, ПСр45, ПСр25, ПСр12, а также латуни с низ­ кой температурой плавления (припои типа ПМЦ36, ПМЦ48, ПМЦ54) и медно-фосфо­ ристые. Для латуней, богатых цинком (Л63, Л68), применяют припой ПСр40. Фосфори­ стые припои для них непригодны, так как при этом появляются малопластичные паяные соединения. Последнее объясняется тем, что в паяном шве образуются весьма хрупкие фос­ фиды цинка.

Для соединений, не подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам, применяют припои ПМЦ36 и ПМЦ48.

Латуни интенсивно растворяются при пайке серебряными и медно-фосфористыми припоями. Поэтому паять их следует с высо­ кими скоростями нагрева для сокращения кон­ такта жидкого припоя и твердого металла. Ла­ тунь Л63 интенсивно растворяется в припоях ПСр40, ПСр45, ПСр15, но меньше, чем в при­ поях ПСр37,5 и ПСр50КД [11, 17, 20].

Пайка бронз

Оловянистые бронзы можно паять оло­ вянно-свинцовыми, серебряными и медно­ цинковыми припоями. Пайка высокооловянистых бронз медно-цинковыми припоями неже­ лательна ввиду близости температуры плавле­ ния паяемых металлов к температуре плавле­ ния этих припоев. Пайку оловянных бронз можно производить любым известным спосо­ бом: паяльником, газопламенными горелками, контактным нагревом, нагревом ТВЧ, в соля­ ных ваннах, в печах с контролируемой атмо­ сферой; при этом нагрев изделия следует вести постепенно, так как при высоких скоростях нагрева основной металл склонен к красно­ ломкости.

Пайку можно производить оловянносвинцовыми припоями с использованием флю­ сов на основе хлористого цинка с добавками соляной кислоты. При высокотемпературной пайке используют медно-цинковые и серебря­ ные припои с применением флюсов на основе борной кислоты с добавками хлористых и фто­ ристых солей металлов.

Свинцовые бронзы можно паять припоя­ ми с флюсами, которые применяют для пайки оловянистых бронз. При этом места пайки не­ обходимо флюсовать более тщательно, по­ скольку образующиеся на поверхности оксиды свинца препятствуют затеканию припоя в зазор.

Алюминиевые бронзы выделяются высо­ кими механическими свойствами среди мед­ ных сплавов, в связи с чем их широко приме­ няют в машиностроении. В промышленности используют как двойные сплавы меди с алю­ минием (простые бронзы), так и более сложные по составу бронзы с добавками марганца, же­ леза, никеля и других элементов. На поверхно­ сти алюминиевой и кремнистой бронз образу­ ется оксидная пленка, которая трудно удаляет­ ся с использованием обычных флюсов. Изде­ лие перед пайкой необходимо обрабатывать во фтористо-водородной или плавиковой кислоте. При пайке оловянно-свинцовыми припоями

применяют активные флюсы с повышенным содержанием соляной кислоты. Рекомендуются предварительная очистка и флюсование по­ верхности алюминиевой бронзы смесью бор­ ной кислоты с хлористыми солями металлов.

Марганцевые бронзы следует паять с ис­ пользованием ортофосфорной кислоты. Алю­ миниевые бронзы во избежание окисления и образования хрупких интерметаллидов в шве следует паять, применяя быстрые методы на­ грева. Введение в припои никеля повышает пластичность и прочность соединений их алю­ миниевой бронзы. Повышение пластичности, вероятно, обусловлено образованием интерметаллида алюминий-никель, что предотвращает образование окислов алюминия.

Для высокотемпературной пайки алюми­ ниевых бронз серебряными и медно-цинко­ выми припоями флюсы ПВ200 и ПВ284 непри­ годны, так как они не растворяют окислы на их поверхности. Для успешной пайки в эти флю­ сы необходимо ввести кремнефтористый на­ трий (10 20 %) или флюс для пайки алюми­ ния (до 50 %).

Высокотемпературную пайку марганцо­ вистых бронз осуществляют с использованием флюсов, в состав которых входят фторобораты и фториды щелочных металлов. При высоко­ температурной пайке бронз ввиду их красно­ ломкости следует обращать внимание на кон­ струирование фиксирующих приспособлений и добиваться, чтобы они не препятствовали рас­ ширению деталей при нагреве и, следователь­ но, не создавали в них напряжений, могущих вызвать растрескивание металла в процессе пайки.

Бериллиевые бронзы паять значительно труднее, чем другие медные сплавы; их следу­ ет паять немедленно после механической зачи­ стки серебряными припоями с флюсом, в со­ став которого должны входить фтористые соли.

Медно-никелевые сплавы паяют любым способом и припоем, в том числе и чистой ме­ дью. Пайку медью в печи с контролируемой атмосферой необходимо выполнять при высо­ ких скоростях нагрева, так как при длительной пайке основной металл растворяется в припое и прочность шва значительно падает.

ПАЙКА НИКЕЛЯ И ЕГО СПЛАВОВ

Никель является одним из важнейших про­ мышленных металлов. Чистый никель имеет вы­

пластичность (8 = 50 %) и химическую стой­ кость. Сплавы на основе никеля характеризу­ ются высокими электрохимическим сопротив­ лением и коррозионной стойкостью, а также повышенными жаропрочностью и жаростойко­ стью. На чистом никеле при нагреве образуется только один оксид; при легировании никеля хромом, алюминием, титаном и другими ме­ таллами образуется комплекс окислов соответ­ ствующих металлов.

Электрохимические никелевые сплавы типа монель и константан, представляющие собой сплавы никеля с медью и железом, име­ ют на своей поверхности химически нестойкую оксидную пленку, которая легко восстанавли­ вается в газовых средах, удаляется флюсовани­ ем и при высокотемпературной пайке в вакуу­ ме разлагается на кислород и металл. Поэтому пайка этих сплавов не вызывает трудностей. При пайке можно применять припои, флюсы и газовые среды, рекомендованные для сталей и меди. Для пайки никелевых сплавов требуются специальные флюсы, поскольку поверхность сплавов, например никеля с хромом (нихромы), покрыта весьма стойкой оксидной пленкой, содержащей оксиды хрома. При легировании нихрома алюминием и титаном химическая стойкость оксидной пленки возрастает, что влечет за собой ряд затруднений при пайке. Пайка жаропрочных сплавов на основе никеля в восстановительных газовых средах требует тщательной их очистки от остатков кислорода с помощью платинового или дунитового ката­ лизатора, а также дополнительного осушения до точки росы (-70 °С).

При пайке жаропрочных сплавов на ос­ нове никеля в вакууме или нейтральных газо­ вых средах последние необходимо тщательно осушать с помощью цеолита, перекиси бария или фосфорного ангидрида. Перед пайкой ни­ хромы следует покрывать слоем никеля или меди толщиной 15 мкм, который обеспечивает хорошее смачивание паяемых поверхностей в вакууме и нейтральных средах без применения флюса.

Для низкотемпературной пайки никеля пригодны оловянно-свинцовые припои, содер­ жащие 40 60 % Sn и флюсы, рекомендуемые для пайки сталей. Для конструкций из никеле­ вых сплавов, работающих при температуре 350 500 °С, применяют серебряные припои. Например, для пайки сплавов ХН78Т и ХН77ТЮР рекомендуются следующие составы припоев:

Никелевые сплавы типа нихром и монель склонны к охрупчиванию в контакте с жидки­ ми припоями, особенно содержащими сереб­ ро, кадмий и цинк. Для предотвращения хрупкого разрушения пайку этих сплавов производят в отожженном состоянии и при отсутствии внутренних и внешних растяги­ вающих напряжений. Для работы никелевых изделий при более высокой температуре пайку их производят припоями систем Ag-Pd-Mn, Pd-Ni, Pd-Ni-Cr и др. Никель и его сплавы практически не подвергаются растворению припоями систем Ni-Mn-Сг, Pd-Ni, Ni-Pd-Ag, Pd-Ni-Cr при пайке до температур 1150... 1250 °С.

Пайка жаропрочных никелевых сплавов палладиевыми припоями может быть осущест­ влена в вакууме или в аргоне. Пайку припоями Ni-Mn-Сг обычно производят в атмосфере ар­ гона, в смесях Аг + BF3 или Аг + HF. Для ки­ слотостойких и жаропрочных паяных соедине­ ний применяют припои на никель-хромовой основе, легированные марганцем, бором, фосфором или кремнием для снижения тем­ пературы плавления. При этом припои, леги­ рованные марганцем, дают более пластичные соединения по сравнению с нихромовыми при­ поями типа «Кольманой», легированными бо­ ром и кремнием.

Предел прочности на срез соединений сплава инконель, паянного припоем Сг-В, со­ ставляет 288 МПа, припоем Ni-P - 91 МПа, припоем Ag-Pd-Mn - 222 МПа. При пайке ни­ хромов жаропрочными припоями с местным нагревом рекомендуется применять флюсы ПВ200 и ПВ201, а при пайке серебряными припоями - ПВ209 и ПВ284Х.

Серебряные и медные припои для пайки жаропрочных никелевых сплавов используют редко вследствие низкой их жаропрочности и коррозионной стойкости. Кроме того, при пай­ ке никеля медью паяемый металл значительно растворяется в припое. Поэтому необходимы строгая дозировка припоя и четкий контроль температуры пайки. Для пайки высоконикеле­ вых сплавов не следует применять припои, содержащие фосфор, алюминий и магний, которые образуют на границе раздела припоя и паяемого металла хрупкие интерметаллидные фазы.

При пайке никеля и его сплавов необхо­ димо следить за тем, чтобы применяемые газо­

вые среды не содержали соединений серы, так как при взаимодействии серы с никелем обра­ зуется легкоплавкая эвтектика, проникающая по границам зерен и вызывающая охрупчива­ ние металла.

При пайке никелевых сплавов припоями, легированными бериллием и особенно бором, паяемый металл активно растворяется в при­ пое, поэтому необходимо строго соблюдать режим пайки: процесс следует вести с высоки­ ми скоростями и без перегревов. Заметному локальному растворению подвергаются нике­ левые сплавы при пайке их припоями, содер­ жащими кремний, особенно при температуре выше 1200 °С, что приводит также к снижению растекания припоя.

Пайка нихрома, сплава инконель, а также никелевых сплавов, содержащих алюминий и титан, требует применения достаточно актив­ ных флюсов. При использовании боридных флюсов при печной пайке вследствие образо­ вания легкоплавкой боридной эвтектики Ni-B возможна эрозия основного металла. Поэтому пайку в печах никеля и его сплавов проводят в атмосфере водорода с точкой росы -40 -70 °С. Сплавы, легированные алюминием и титаном, паяют в вакууме, в смесях нейтральных газов с газовыми флюсами BF3 или NH4C1.

При диффузионной пайке сплава ХН77ТЮР (Ni-Cr) припоем состава, %: Ni-4,5Si-7Cr-3Fe-2B (СМ-53) качественные со­ единения с прочностью до 300 МПа без вклю­ чений хрупкой боридной составляющей обра­ зуются в случае, если пайку вести при Т = 1070 °С и термообработку при Т= 1000 °С с выдержкой до 4 ч, а сборочный зазор соединяемых эле­ ментов не должен превышать 0,05 мм.

При пайке никелевого сплава ХН20ТЮ припоем BNi-5 при температуре 1150 °С, вы­ держке 1 мин и приложении усилия во время пайки 0,5 МПа, термообработке при 710 °С с выдержкой в течение 16 ч образуются соеди­ нения без хрупких фаз.

Получение пластичных соединений при пайке жаропрочных никелевых сплавов ХН75МБТЮ, ХН50МВКТЮР, ХН67МВТЮ припоями системы Ni-Si-B возможно также при приложении дозированного усилия на шов в процессе пайки. Под действием давления из зазора удаляется избыток жидкой фазы, а ос­ тавшийся в узком зазоре припой кристаллизу­ ется с образованием общих зерен. Этот эффект хорошо проявляется при применении аморфно­ го припоя Ni-Si-B в виде фольги толщиной

20 мкм. При пайке в вакууме 1 10"3 Па сплава ХН62МВКЮ (7,п= 1220 °С, выдержка 10 мин) давление на соединяемые детали 0,5 МПа. При минимальном сборочном зазоре (менее 0,04 мм) получаются соединения, равнопроч­ ные паяемому металлу.

Трудности обеспечения капиллярных за­ зоров 0,03 0,15 мм при сборке деталей сдерживает для ряда конструкций из никеле­ вых сплавов применение печной вакуумной пайки. К настоящему времени разработаны материалы и технология пайки изделий со сбо­ рочными зазорами до 1,5 мм. Типичным при­ мером является пайка гермовводов и ТВЭлов из никелевых сплавов с зазором 0,5 мм припо­ ем состава Au-18%Ni, обеспечивающего тре­ буемые прочность и герметичность соедине­ ний. Для изделий из жаропрочных никелевых сплавов, работающих при температуре 1000 °С, применяют припой ПЖК-1000. Технологиче-

.ской основой широкозазорной пайки никеле­ выми припоями является применение компо­ зиций, состоящих из двух компонентов: легко­ плавкого и тугоплавкого, который не расплав­ ляется при пайке. В качестве тугоплавкого наполнителя используют никелевые порошки, сетку, проволоку, стружку. Количество туго­ плавкого наполнителя не должно быть меньше 30 % и больше 70 %.

Припой J-8101 (Ni-20Cr-10Si) с темпера­ турой пайки 1227 °С фирмы «Дженерал элек­ трик» состоит из смеси 60 % порошка припоя и 40 % порошка чистого никеля. Для снижения температуры пайки до температуры 1170 °С вместо никелевого порошка применяют поро­ шок из сплава Ni-Si-B. Отечественным анало­ гом припоя J-8101 является припой ВПр11-40Н с температурой пайки 1125 °С. Частицы по­ рошка припоя имеют сферическую форму с размерами частиц до 100 мкм. Припой наносят в зазор в виде пасты. Пайку этим припоем из-за наличия в нем самофлюсующихся компонен­ тов Si и В можно вести в низком вакууме.

Для пайки при температуре 1180 1210 °С жаропрочных никелевых сплавов применяют припой 6МА, состоящий из механической смеси легкоплавких порошков припоя 5А (Ni-12Cr-8Si-5Fe-0,45B) - 85 % и тугоплавкого порошка молибдена - 15 %. Припой 6МА ре­ комендован в соединениях с зазором не более 0,5 мм для пайки узлов, работающих в агрес­ сивных средах при температуре 800 °С. При­ мером применения пайки изделий из никеле­ вых сплавов являются трубчатые теплообмен­