info@svartek.ru
Пайка меди и ее сплавов
Технически чистая медь 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 (σв = 240 МПа) и пластичный металл (δ = 45 … 50 %). С уменьшением содержания в меди газов 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).
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 изустными способами.
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 до 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. При пайке изделий из меди оловянно-свинцовыми и другими легкоплавкими припоями используют обычно канифольно-спиртовые флюсы, водные растворы хлористого цинка или хлористого аммония.
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 температурах 750 … 800 °С. Недостатки этого метода — сложность оборудования по очистке азота, а также отсутствие возможности осуществлять пайку при температуре ниже750 °С. 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, загружаемых 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.
Соединение меди при низкотемпературной пайке производится стандартными оловянно-свинцовыми припоями ПОССуЗО-0,5; ПОС40; ПОССу40-0,5, ПОС61 и свинцово-серебряными припоями ПСр1,5; ПСр2,5; ПСрЗ 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 припоев 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. 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 во всех случаях вязкий излом. Высокая пластичность свинца делает его нечувствительным к надрезу. Поэтому, несмотря на низкую технологичность свинцовых припоев, 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 хладостойкие соединения меди. Введение в этот припой 5 % Sn (ПСр2,5) улучшает его технологические свойства, однако при 20 °С соединения, паянные 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 ПСр1,5 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, паянные кадмиевыми припоями ПСр5КЦН, ПСр8КЦН, теплостойки до температуры 350 °С, но нехладостойки. При этом они отличаются низкой прочностью (а„ = 29 МПа) из-за образования в шве хрупких интерметаллидов. 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 (ПЦА8М, ПЦКдПСрСУ25-5-5) 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 (ав = 250 … 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 высокотемпературной пайки медных конструкций находят припои ПСр45, ПСр40, ПСр25, ПСр12. Пайку этими припоями осуществляют нагревом аце-тилено-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 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 тип припоя ПСр72. Пайка этим методом (контактно-реактивным) осуществляется без применения флюса — в вакууме или инертной среде
Припои на 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 ПОССу40-2, ПОС61 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 производить при зазорах 0,05 … 0,5 мм и температурах 650 … 900 °С в вакууме или аргоне. При этом соединения меди, паянные индием, галлием, оловом, припоями ПОС61 и ПОС40, 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 Pb-Ag-Sn-Ni (ПСр7.5) можно обеспечить предел прочности при растяжении 140 МПа с достаточно высокой пластичностью, угол изгиба образца, паянного встык, 130°.