Особенности пайки алюминия и его сплавов

Основным препятствием при пайке алюминия и его сплавов является оксидная пленка Al₂O₃.

Удалить пленку можно механическим или химическим способом.

При механическом способе используют или ультразвуковую пайку (ультразвуковые колебания жала паяльника одновременно с нанесением припоя удаляют и оксидную пленку) или абразивной пастой (абразивный порошок разводят в трансформаторном масле → наносят пасту на место пайки → горячим жалом паяльника с припоем разрушают оксидную пленку).

Ультразвуковое лужение можно производить с помощью ультразвуковых паяльников и в ультразвуковых ваннах.

В связи с тем, что при ультразвуковом лужении отмечается сильная эрозия основного металла, лужению этим способом нельзя подвергать детали с толщиной стенок менее 0, 5 мм.

Имеется также способ абразивно-кавитационного лужения. При этом способе лужения твердые частицы, находящиеся в жидком припое, в ультразвуковом поле оказывают дополнительное абразивное воздействие на металл.

 

 

При химическом способе используют специальные флюсы в задачу которых входит разрушение оксидной пленки.

Наиболее часто применяют следующие флюсы.

- Ф-64 - способен разрушать оксидную плёнку значительной толщины, а потому хорошо подходит для пайки деталей большой массы.

- Ф-34А - используется с тугоплавкими припоями, содержащими значительное количество химических добавок.

- Ф-61 - рекомендуется для низкотемпературной пайки или лужения изделий из алюминиевых сплавов.

 

Припои

При использовании высокоактивных флюсов и хорошей подготовки поверхности, алюминий можно паять и оловянно-свинцовыми припоями. Однако их выбор все же нельзя считать удачным. Помимо того, что имеет место упомянутая выше плохая растворимость алюминия в системах Sn-Pb, оловянно-свинцовые припои обеспечивают очень низкую коррозионную стойкость паяного соединения. Чтобы преодолеть этот недостаток, соединения, паянные оловянными или оловянно-свинцовыми припоями, необходимо покрывать специальными лакокрасочными покрытиями.

Качественную пайку алюминия обеспечивают припои содержащие цинк, серебро, медь, алюминий, кремний. Существует большое количество составов как отечественного, так и импортного производства, содержащих эти элем

енты в различном соотношении. Из отечественных припоев можно привести ЦОП40 (60% олова и 40% цинка) и 34А (66% Аl, 28% Cu и 6% Si). Чем выше содержание цинка в цинковом припое, тем большую коррозионную стойкость и прочность имеет паяное соединение.

Большинство припоев является низкотемпературными, однако температура их плавления выше, чем у оловянно-свинцовых. По-настоящему высокотемпературными являются алюминиево-кремниевые (силумины) и алюминиево-медно-кремниевые припои. В качестве первого можно привести припой Aluminium-13 фирмы Chemet, содержащий 13% Si и 87% Аl (припой покрыт флюсом). Его температура пайки составляет 590-600°C. Примером второго может служить, уже упоминавшийся, отечественный припой 34А, состоящий из 66% Аl, 28% Cu и 6% Si. Интервал его температуры пайки - 530-550°C. Если возникает необходимость в применении высокотемпературных припоев, они применяются для пайки алюминия и тех его сплавов, которые имеют достаточно высокую температуру плавления, или деталей имеющих массивные размеры, обеспечивающие хороший теплоотвод.

Если говорить о самых удобных материалах, то к ним относятся, конечно, бесфлюсовые низкотемпературные припои, например HTS-2000.

 

При пайке алюминия припоями-пастами на основе галлия в качестве наполнителя паст служат алюминий и сплав алюминия с магнием. Температура пайки 200-225°С, время выдержки 4-6 ч. Предел прочности соединений составляет 3-5 кгс/мм².

При пайке по полуде чистым галлием с последующей термообработкой предел прочности соединения составляет 2, 8-3, 8 кгс/мм². Паяные швы выдерживают ударные, вибрационные и термоциклические нагрузки, обеспечивают вакуумную плотность не ниже 10^-2 мм рт. ст. и имеют удовлетворительную коррозионную стойкость.

Применяют также пайку цинковыми припоями по серебряному покрытию, нанесенному на поверхность алюминия предпочтительно термовакуумным напылением с последующей термообработкой.

Разработан ряд технологических процессов, обеспечивающих надежное соединение алюминия с медью и ее сплавами, со сталью, никелевыми и другими сплавами.

Основные трудности при осуществлении процесса пайки алюминия с указанными материалами заключаются в трудности выбора флюса или газовой среды, обеспечивающих удаление окислов с поверхностей столь разнородных материалов; в образовании хрупких соединений из-за возникновения интерметаллидов в зоне шва; в наличии большой разницы температурных коэффициентов линейного расширения алюминия и перечисленных выше материалов.

Первые два осложнения успешно преодолевают при предварительном нанесении на поверхности соединяемых материалов защитных металлических покрытий.

Пайку алюминия с медью можно успешно осуществить по никелевому покрытию, нанесенному на алюминий химическим способом. Пайку производят в водороде припоем состава 49% Ag, 20% Си, 31% In; температура пайки близка к температуре плавления алюминия.

Пайка алюминия с медью и ее сплавами может также быть осуществлена путем нанесения защитных покрытий типа цинк, серебро и их сплавы на поверхность меди. При этом используют припои на основе олова, кадмия, цинка.

Через серебряное покрытие на меди может быть осуществлена контактно-реактивная пайка с образованием в паяном шве хрупкой эвтектики Al - Ag - Си. Такие паяные соединения могут быть использованы только в несиловых конструкциях.

Соединение алюминия со сталью, в том числе и с нержавеющей, облегчается при предварительном лужении поверхности стальной детали легкоплавкими свинцово-оловянистыми припоями, алюминием и алюминиевыми припоями с применением активных флюсов на основе хлористых и фтористых солей.

При пайке алюминия со сталью очень важно строго ограничивать режим из-за опасности образования хрупких интерметаллидов в паяных швах. Время выдержки не должно превышать 1-4 мин, температура пайки также не должна превышать заданного предела.

Пайка алюминия с титаном возможна только по слою алюминия или олова, нанесенных на поверхность титана путем горячего лужения.

 

Прочностные характеристики паяных соединений при применении наиболее распространенных припоев приведены в табл. 5.

Таблица 5. Прочность паяных соединений из алюминиевых сплавов.

Припой	Режим пайки	Предел прочности, кгс/мм2, для сплавов
		АМц	АМг6	Д20
П300А	440°С, 20 мин	11-12	22	-
П425А		12, 0	20, 8	20, 8
34 А	550°С, 20 мин	8-11	-	28, 8
В62	510°С, 15 мин	12, 0	-	23, 8

Своеобразной разновидностью флюсовой высокотемпературной пайки алюминия и его сплавов является реактивно-флюсовая. Флюсы-пасты для этой цели, как правило, содержат до 90% активных хлоридов. При использовании таких паст наблюдается заметная эрозия основного металла. Рекомендован способ пайки, лишенный указанных недостатков.

В этом случае пайку производят путем погружения в солевую ванну, в состав которой вводят небольшое количество (в сумме до 1%) активных хлоридов типа хлористого цинка, хлористого олова, хлористого кадмия и пр.

В связи с тем, что остатки флюсов чрезвычайно коррозионноактивны, особенно при эксплуатации паяных соединений в электропроводящих средах, необходимо после пайки изделия подвергать тщательной обработке с целью удаления остатков флюсов.

Для этого детали сразу же после пайки подвергают тщательной промывке в горячей и холодной проточной воде с последующей обработкой в 5%-ном растворе азотной кислоты или 10%-ном растворе хромового ангидрида.

Однако флюсы могут оказаться внутри паяного шва, и такая обработка не устранит опасности возникновения очагов коррозии. В этом заключается основной недостаток флюсовой пайки алюминиевых сплавов.

Низкотемпературную пайку алюминия и его сплавов припоями на основе олова можно осуществить с применением флюсов на основе высококипящих органических соединений типа триэтаноламина с добавками в качестве активных компонентов борфторидов кадмия и цинка.

Применение этих флюсов хотя и обеспечивает удаление окиси алюминия при пайке, но в промышленности они не нашли широкого распространения, так как не обеспечивают получения надежных и герметичных соединений.

Кроме того, компоненты легкоплавких припоев в паре с алюминием образуют коррозионно нестойкие соединения из-за большой разности нормальных электродных потенциалов. Такие соединения не способны работать в коррозионно-активных средах.

Указанные недостатки и затруднения исчезают при использовании технологических покрытий под пайку. В качестве таких покрытий при низкотемпературной пайке алюминия принято использовать медь, никель, серебро, цинк и т. п. Покрытие может быть нанесено электролитически, химически, термовакуумным напылением и т. д.

Наиболее высокое качество сцепления покрытия с основным металлом и коррозионную стойкость паяных соединений обеспечивает применение никель-фосфорных покрытий, наносимых на поверхность алюминия химическим способом из специальных гипофосфитных растворов.

Оптимальная толщина покрытия 17-25 мкм. После нанесения покрытия деталь подвергают термообработке в защитной среде (аргон или вакуум) при температуре 200°С в течение 1 ч, что приводит к повышению прочности сцепления покрытия с поверхностью основного металла.

Пайка по покрытию легко осуществима оловянно-свинцовыми припоями с применением канифольно-спиртовых флюсов или на основе водных растворов хлористого цинка.

Коррозионная стойкость таких соединений намного выше соединений алюминия, выполненных без защитных покрытий.

Соединения из сплава АМц и Д16, выполненные по никель-фосфорному покрытию припоем ПОС 61, обеспечивают предел прочности на срезе 3-5 кгс/мм². После годичных испытаний в 3%-ном растворе поваренной соли прочность соединений снижается лишь на 15-18%.

Коррозионная стойкость соединений по медному покрытию, особенно в коррозионно-активных средах, гораздо ниже, чем по никель-фосфорному покрытию.

Коррозионная стойкость соединений повышается при пайке по цинковым покрытиям и, в частности, по слою сплава Zn + 5% Al, нанесённому па поверхность алюминия методом горячего плакирования. Пайку по цинковому покрытию рекомендуется вести припоем типа ПОСК51 с удалением окисных пленок трением или флюсом на основе эвтектики NaOH и КОН, вводимой в количестве до 20% в глицерин.

Пайка алюминиевых сплавов, по С. С. Ловери, возможна также после покрытия определенным количеством металлического марганца хотя бы одной из паяемых поверхностей с последующим нагревом в вакууме при условии размещения между паяемыми деталями припоя. Способ обеспечивает высокую прочность соединения. Марганец наносится перед пайкой в виде частиц размером 35 мкм из суспензии со связкой, разлагающейся при нагреве. Масса наносимого покрытия на ~600 мм² 1—2 мг. Состав припоя (%): 12 Si, 0, 3 Си, 0, 8 Fe, 0, 2 Zn, 0, 1 Mg, 0, 15 Мn и Al — остальное. Состав связки: акриловая кислота с поливиниловым спиртом и канифолью 5—50 %. Частицы марганца могут быть правильной или неправильной формы, предпочтительно размером 38—44 мкм. Припой может быть использован, например, в виде порошка, проволоки. Пайку проводят в вакууме при давлении не ниже 1, 33Х X 10^-2 Па и температуре 580 °С. Собранное изделие перед пайкой помещают в алюминиевый ящик и загружают в печь с последующей откачкой.

Контактная твердогазовая вакуумная пайка алюминия в парах металлов. Способ пайки в парах магния алюминиевых сплавов, плакированных силумином, разработан С. Дж. Миллером в 1962 г.. В сочетании с контактно-реактивным активированием этот способ использован А. А. Сусловым и С. Н. Лоцмановым в 1966 г.

Высокотемпературная вакуумная пайка алюминия и его сплавов в перенасыщенных парах магния может быть осуществлена по разной технологии. Собранное изделие из АМцПс помещают в печь. Туда же помещают навеску магния, вакуумируют печь до разрежения ~ 1, 33^.10^-1 Па и нагревают затем при продолжающейся откачке до температуры пайки. Недостатками такого варианта технологического процесса являются его большая длительность и сильное испарение магния при нагреве.

Для дезактивирования печи и ускорения охлаждения паяного соединения после пайки в вакууме с парами магния камеру пайки заполняют сухим азотом и охлаждают в этой среде до ~38 °С. Это повышает в вакуумной камере давление и задерживает испарение магния.

По другому варианту для предотвращения сильного испарения магния и ускорения нагрева изделия печь после откачки и нагрева до 300 °С заполняют осушенным азотом и продолжают нагрев в его атмосфере до 530—577 °С; затем печь снова герметизируют, откачивают до требуемого разрежения и нагревают до температуры пайки. Недостатком такой технологии является необходимость использования оборудования для осушки азота и низкая производительность процесса пайки.

По данным А. В. Барсукова, производительность процесса вакуумной пайки в парах магния может быть повышена, если исключить использование защитного газа, нагрев собранного изделия проводить на воздухе, а испарение магния начинать из жидкого сплава при температуре на 50—10 °С ниже температуры плавления припоя. Процесс пайки при этом будет состоять из нагрева до 530—550 °С в обычной воздушной печи собранного изделия в тонкостенном контейнере из коррозионно-стойкой стали с навеской сплава Сu—34, 6 Mg с температурой плавления 552 °С, переноса контейнера в вакуумную печь, герметизации и откачки ее до давления 1, 33^.10^-2—1, 33^.10^-3 Па и нагрева до температуры пайки. Для изменения температуры плавления сплава Сu—Mg и регулирования скорости испарения магния сплав можно легировать никелем и германием: применяется легирование припоя Al—Si магнием (0, 6—1, 5 %).

В связи с быстрым запылением внутренних стенок вакуумных печей при пайке алюминиевых сплавов силуминами, содержащими магний, и пониженной коррозионной стойкостью паяных ими соединений предложено вместо магния в алюминиевые припои с кремнием вводить литий, бериллий, лантан и (или) церий.

При оптимальных режимах в паяных швах образуются сплавы, близкие в тройным эвтектикам Al—Si—Сu и Al—Si—Ag при применении прослоек меди или серебра соответственно. Толщина наносимого слоя серебра или меди 10—12 мкм: при пайке в шов переходит до 5—7 % Ag. Паяные соединения, полученные комбинированным способом, обладают удовлетворительной прочностью и повышенной коррозионной стойкостью по сравнению

 

в аргоне.

 

 

флюсовая; флюс 34А, бензино- или газовоздушное пламя не снижают активность флюса. Пайка в печах и солевых ваннах;

в вакууме;

Наибольшее распространение получили припои систем Al-Si (силумины); Al-Si-Cu (34А); Al-Zn( П575А). Т_пл = 525-620⁰С.

 

Технологический процесс пайки металлов

Технология пайки магниевых сплавов (часть 1)

Магний является самым легким (плотность 1, 8-1, 4 г/см³) и дешевым конструкционным материалом. Низкая плотность сочетается с высоким пределом прочности (26-46 кгс/мм²), жаропрочностью и жаростойкостью (до 450-500°С). Высокая прочность и устойчивость при динамических нагрузках позволяют широко использовать эти сплавы в различных конструкциях.

Пайка магниевых сплавов затруднена тем, что из всех конструкционных металлов магний обладает наибольшей активностью. Он известен как геттер. При окислении на поверхности магния образуется пленка сложного состава, содержащая окись магния, гидроокись магния, углекислые, сернокислые и другие соединения.

На поверхности сплавов магния окисная пленка имеет более сложный состав за счет окисления легирующих компонентов сплава. Эта химически устойчивая пленка не удаляется в известных активных газовых средах и в вакууме до 10-5-10-6 мм рт. ст. Осуществление процесса пайки затруднено еще и тем, что гидрат окиси магния при нагреве выше 300-400°С разлагается с выделением воды и водорода.

Плотность сплавов магния меньше плотности солевых систем, используемых в качестве флюса, поэтому в шве при флюсовой пайке неизбежно присутствуют остатки солей.

Магний имеет наиболее электроотрицательный потенциал (-2, 38 В), что затрудняет нанесение надежных покрытий электрохимическим и химическим методами, отличается низкой коррозионной стойкостью.

Сплавы на основе магния являются активным эмиттером, что создает трудности при нанесении покрытий в тлеющем разряде ионным способом.

Пайку изделий из магниевых сплавов осуществляют паяльником, газопламенными горелками, нагревом т. в. ч., погружением в ванну с расплавленным флюсом, в печи с контролируемой средой или в вакууме.

При использовании газопламенного нагрева подогрев изделий должен осуществляться бензо-воздушной горелкой или пламенем, образуемым при сгорании газов - заменителей ацетилена в смеси с воздухом. Не допускается применение ацетилено-кислородного пламени.

При сборке деталей под пайку надо тщательно удалять стружку, пыль и заусенцы, которые могут явиться источником воспламенения.

Консервирующие смазки, маркировочную краску и т. д. удаляют промывкой в бензине, ацетоне или спирте. Кроме того, консервирующую смазку можно удалить кипячением в 0, 5-1%-ном водном растворе соды в течение 20-30 мин с последующей промывкой в теплой воде и сушкой при температуре 60-80°С.

Поверхности деталей в местах пайки должны быть тщательно зачищены от загрязнений и окислов. Зачистку производят напильником, стальной щеткой или шабером.

Окисную пленку удаляют обработкой в водном растворе хромового ангидрида с концентрацией 20-30 г/л при температуре 60-70°С или 150-260 г/л при температуре не выше 30° С с последующей промывкой в горячей и холодной воде.

Подготовленные таким образом детали собирают в приспособлениях.

Перерыв между подготовкой деталей и пайкой не должен превышать 5 ч.

Зазор при флюсовой пайке магниевых сплавов должен находиться в пределах 0, 1-0, 3 мм.

 

Титан и его сплавы: при пайке нельзя применять газовые атмосферы, содержащие азот и водород, так как титан образует хрупкие нитриды и гидриды. Качественных флюсов пока не разработано.

Пайку обычно производят в вакууме или очищенном аргоне. В вакууме 10^-4 –10^{-5 мм рт. ст. оксидная или нитридные пленки растворяются в металле при температуре выше 700о}С. Поэтому процесс пайки обычно ведут при температуре выше 700^оС. Однако при температуре более 900^оС титан склонен к росту зерна и снижению пластических свойств.

В паяном шве титан образует хрупкие интерметаллиды почти со всеми элементами, входящими в состав припоев. Наибольшее распространение получили припои на основе серебра, никеля и меди, но они сильно растворяют и охрупчивают титан вблизи паяных швов.

Для получения пластичных и прочных соединений нашла применение диффузионная пайка. На изделие наносят минимально необходимое количество припоя и выдерживают при температуре пайки до тех пор пока в паяном соединении в результате изотермической кристаллизации в твердом состоянии не образуется пластичный твердый раствор. Прочность паяных соединений близка к прочности основного металла.

Для того, чтобы избежать охрупчивания титана и повысить прочность паяных соединений применяют барьерные покрытия из тугоплавких металлов, которые хорошо поддаются пайке и не образуют хрупких интерметаллидов с основным металлом в диффузионной зоне.

Цирконий по своим физико-химическим свойствам близок к титану. Поэтому технология его пайки аналогична титану.

 

 

Вольфрам(Т_пл=3410^оС): паяется во всех защитных и восстановительных газовых средах и вакууме. Припои: тантал, ниобий, никель, медь, молибден и их сплавы. Кстати, при сварке неизбежны рекристаллизация вольфрама и его охрупчивание.

Молибден(Т_пл. = 2622^оС): имеет большое сродство к кислороду. Паяют в глубоком вакууме или очищенном аргоне. Припои те же, что и при пайке вольфрама.

Тантал(Т_пл. = 2996^оС): в отличие от вольфрама и молибдена – пластичен. Припои: титан, ванадий, молибден, которые образуют с танталом непрерывный ряд твердых растворов, что позволяет получать высокопрочные и пластичные соединения.

Ниобий(Т_пл.=2468^оС): припои: титан, ванадий, цирконий. Непрерывный ряд твердых растворов.

Для всех тугоплавких металлов наиболее предпочтительна пайка в глубоком вакууме.

Бериллий(Т_пл. = 1283^оС): припои: силумины, медь-серебро. Пайка в глубоком вакууме, аргоне, гелии.

 

 

22. Пайка металлов с неметаллическими материалами

Производится по предварительно металлизированной поверхности. Металлизационные смеси, состоящие из порошков тугоплавких металлов, наносятся на поверхность керамики, затем спекаются в водородной атмосфере, содержащее некоторое количество паров воды. В результате происходит окисление тугоплавких металлов, и их оксиды при высокой температуре взаимодействуют с оксидами керамики.

Металлизированную керамику можно паять низкотемпературными оловянно-свинцовыми припоями, которые в своем составе с целью предотвращения растворения покрытия в припое, содержат добавки меди, серебра, кадмия. Например, часто применяют припои, содержащие 2% Cu (ПОС61М) или 3% Ag (ПОССр3), или 18% Cd (ПОСК50-18).

Для пайки керамики применяют также оксидные припои, включающие оксиды алюминия, кальция и магния. Пайку производят в вакууме. При этом предварительная металлизация не требуется.

Иногда в изделиях нагрев для получения вакуумно-плотных соединений нагрев не допускается. В этом случае применяют пайку пастообразными припоями на основе галлия, который обладает способностью смачивать металлы при комнатной температуре и обеспечивает образование межатомных связей.

Галлиевые пастообразные припои – это композитные материалы, представляющие собой смеси жидкого галлия с порошками наполнителя (Cu, Ni, Fe, Ag). Если после пайки изделие нагреть до 200 – 600^оС в течение 5 – 30 мин., то температура распая может повысится до 1000^оС.

 

 

⇐ Предыдущая58596061626364656667Следующая ⇒

Поделиться: