Пайка кольорових металів і сплавів. Пайка міді і її сплавів. Окісна плівка на поверхні міді і її сплавів (латуні, бронз, мідно-нікелевих сплавів) легко відновлюється флюсами, тому пайка цих металів в більшості випадків не представляє труднощів.
При пайку міді в газових відновлювальних середовищах слід мати на увазі, що звичайна технічна мідь схильна до так званої «водневої хвороби», т. Е. Розтріскування по межах зерен. Це пояснюється тим, що при взаємодії з міддю водень розчиняється в ній, відновлює закис міді, розташовану на межі зерен, а утворюються при цьому пари води розривають метал. У електровакуумної промисловості застосовуються бескислородная мідь марки МБ і мідь МВ вакуумної переплавки. Ці марки міді можна паяти в відновлювальних атмосферах, не побоюючись розтріскування.
За міді припої добре розтікаються не тільки в відновної середовищі, а й у вакуумі або в інертній атмосфері.
Як припоев для пайки міді в електровакуумної промисловості застосовуються сплави срібла з міддю, що не містять таких легкоиспаряющихся компонентів, як цинк, кадмій. Найбільш поширений припій ПСР 72.
При необхідності більш ретельного знегажування електровакуумних приладів температуру при відкачці піднімають до 650-700 ° С.
В цьому випадку для пайки застосовують золотовмісні припої (ПЗлН82, ПЗлМН35В і ін.), Які мають більш низьку пружність пари.
При пайку міді оловянно - свинцевими припоями і іншими легкоплавкими припоями доцільно застосовувати спіртоканіфольние флюси, залишки яких не викликають корозії.
Складність пайки сплавів на основі міді залежить від властивостей легуючих добавок. Найбільш частими елементами, що вводяться в мідь для отримання необхідних фізико-механічних властивостей, є цинк, фосфор, кадмій, алюміній, берилій, кремній, хром і ін. Ці елементи в залежності від їх впливу на процес пайки можна поділити на групи. До першої, найбільш поширеною, слід віднести сплави, що містять легкоиспаряющиеся елементи - цинк, кадмій, фосфор і ін. Пайка таких сплавів ускладнена сильним випаровуванням цих елементів, нальотами на стінки печей, зміною хімічного складу паяються матеріалів. Тому пайка зазначених матеріалів найчастіше здійснюється на повітрі з застосуванням газових пальників і різних флюсів. Як припоев використовують серебросодержащие припої (ПСр40, ПСР 45, ПСР 25Ф і ін.).
Інші елементи (Si, Al, Be, Cr) утворюють на поверхні сплавів міцні плівки окислів. Надійна пайка таких матеріалів може бути здійснена тільки з застосуванням покриттів (наприклад, нікелевих).
На сплавах нікелю, легованого хромом, алюмінієм, титаном і іншими металами, утворюється комплекс оксидів відповідних металів. Хімічна стійкість окислів при цьому зростає, що тягне за собою ряд труднощів при пайку. Так, при пайку цих матеріалів в відновлювальної та нейтральних середовищах останні необхідно додатково очищати від залишку кисню і вологи. Для отримання якісної пайки нікелеві сплави, леговані алюмінієм, хромом, титаном, покривають шаром нікелю товщиною 7-10 мкм, який забезпечує хороше змочування паяються поверхонь в вакуумі і нейтральних середовищах без застосування флюсів.
При використанні міді в якості припою при пайку нікелю слід враховувати, що паяемий метал значно розчиняється в припої і тому необхідні сувора дозування припою і пайка без перегріву.
Пайка алюмінію і його сплавів. Алюміній вважається труднопаяемим металом через наявність на ньому щільної плівки хімічно стійкого оксиду Al2O3. Окісна плівка Al2O3 має температуру плавлення 2050 ° С і її не вдається зруйнувати флюсами, що застосовуються при пайку міді або сталей. Для здійснення процесу пайки окисну плівку необхідно попередньо видаляти і запобігати її утворення при нагріванні. Зазвичай перед пайкою алюміній труять в лугах і кислотах, а в процесі пайки застосовують високоактивні флюси, що містять хлориди лужних металів і фтористі з'єднання. При пайку електронних приладів такі флюси не завжди застосовні.
Так як захистити алюміній від окислення зважаючи на його активності практично не можна, а що утворюється окисну плівку видалити без флюсу важко, доцільно наносити на алюміній шар іншого металу, який буде міцно зчіплюватися з ним, добре смачиваться припоями і не вимагати застосування високоактивних флюсів. Зазвичай в якості таких покриттів використовують мідь або нікель. Мідне покриття міцно зчіплюється з алюмінієм і добре змочується рідкими припоями в відновлювальних середовищах. Однак при нагріванні мідне покриття реагує з алюмінієм і утворює легкоплавкое і крихке з'єднання при температурі 549 ° С. Нікелеве покриття, нанесене з хімічного розчину, має високу міцність зчеплення з алюмінієм, має корозійну стійкість і добре змочується рідкими припоями. При малій товщині (до 10 мкм) покриття недостатньо міцно. Високоякісний спай виходить при товщині покриття, що дорівнює 15-17 мкм.
Пайка сталей. Ступінь складності пайки сталей в значній мірі визначається їх складом. Пайка низьковуглецевих сталей не викликає особливих труднощів і може бути здійснена більшістю відомих способів. Окісна плівка, що утворюється на поверхні цих сталей, хімічно нестійка. Вона легко відновлюється в газових середовищах і розчиняється більшістю флюсів, рекомендованих для пайки сталей.
При низькотемпературної пайку застосовують олов'яно-свинцеві припої: ПОС40, ПОС61. Як флюси можуть бути використані флюси, активовані хлоридами цинку, олова, міді, кадмію.
Для поліпшення якості паяних з'єднань з низьковуглецевих сталей сполучаються поверхні деталей іноді попередньо піддають лужению із застосуванням водних розчинів хлористого цинку, після чого ретельно видаляють залишки флюсу. Вироби паяють після лудіння з флюсами, залишки яких не викликають суттєвої корозії, наприклад з спіртоканіфольним флюсом.
Високотемпературну пайку низьковуглецевих сталей в електровакуумних приладах виконують зазвичай міддю, а також золотомідних і золотонікелевимі припоями. Мідно-срібні припої типу ПСр72 погано змочують стали. Для підвищення смачивающей здатності до мідно-срібним припою додають присадки паладію. Пайка здійснюється в печі з відновлювальної атмосферою.
При низькотемпературної пайку нержавіючих сталей олов'яно-свинцевими припоями спіртоканіфольние флюси непридатні. Непридатні і спіртоканіфольние флюси з невеликими добавками хлористого цинку і хлористого амонію. Зазвичай застосовуються спіртоканіфольний флюс з добавкою ортофосфорної кислоти або високоактивний флюс, що складається з 38-40% -го водного розчину хлористого цинку і насиченого розчину соляної кислоти. Однак ці флюси можна застосовувати тільки при пайку паяльником або газовим пальником, коли за процесом можна спостерігати візуально і флюс в процесі пайки можна додавати в міру необхідності.
Пайка нержавіючих сталей полегшується при нанесенні на них технологічних покриттів, які без утруднення паяются низькотемпературними і високотемпературними припоями. В якості таких покриттів використовують мідь, нікель, срібло.
Пайка активних і тугоплавких металів. Пайка титану і цирконію. Ці метали використовуються в основному в конструкціях електровакуумних приладів і тому піддаються тільки високотемпературної пайку. Особливістю цих металів є їх активність по відношенню до газів: до кисню, азоту, водню і іншим, крім інертних. При взаємодії з газами ці матеріали утворюють різноманітні сполуки, значно погіршують механічні властивості швів. Крім того, на поверхні таких металів утворюються плівки оксидів, нітриду, гідридів, несмачіваемих припоями. Тому паяти ці метали слід в вакуумі не нижче 510-5 мм рт. ст. (6,6510-3 Па) або в середовищі особливо чистих аргону або гелію.
Інша особливість пайки титану і цирконію полягає в тому, що вони вступають в реакцію з переважною більшістю металів, що містяться в припоях (срібло, золото, мідь, нікель), утворюючи з ними небажані з'єднання, що погіршують властивості паяних швів. Ці сполуки зменшують міцність спаїв і значно знижують допустиму температуру наступних нагревов паяних з'єднань.
Підвищення механічних властивостей паяних з'єднань цих металів досягається попереднім покриттям їх поверхні шаром іншого металу. За допомогою такого шару запобігають безпосередній контакт паяється й зварювання під час пайки і, отже, можливість утворення небажаних з'єднань. Як покриття на титані під пайку припоями на срібній основі найчастіше рекомендується використовувати срібло, мідь, реній, а на цирконії - нікель. Основна вимога до цих покриттів - міцне зчеплення з титаном і цирконієм.
Деталі з нанесеним покриттям можуть бути спаяні припоями, змочуючими ці покриття.
Пайка молібдену і вольфраму. Ці матеріали мають високу температуру плавлення і використовуються в катодних вузлах електровакуумних приладів, забезпечуючи їх роботу при температурі вище 1000 ° С.
Основні труднощі при пайку цих металів виникають через велику їх спорідненості з киснем, а також схильності до охрупчіванію при нагріванні до високих температур. З цих причин пайку молібдену і вольфраму необхідно виробляти в глибокому вакуумі або середовищі аргону, ретельно очищеному від кисню і парів води.
Для високотемпературної пайки тугоплавких металів застосовують в якості припоїв чисті метали: тантал, ніобій, нікель, мідь і їх сплави. Для поліпшення змочування вольфраму і молібдену розплавленими припоями іноді їх попередньо покривають нікелем або міддю. Товщина нікелевого шару не повинна бути більше 3 мкм, мідного - 3-4 мкм; при більшій товщині можливо відшаровування покриття. Для поліпшення зчеплення покриття з тугоплавким металом виробляють термообробку в вакуумі.
При використанні в якості припою чистої міді слід враховувати, що вона погано змочує і розтікається по поверхні молібдену і вольфраму. Для поліпшення смачивающей здатності мідь легують кобальтом, залізом, марганцем, нікелем, паладієм. Кількість легуючих добавок в мідних припоях не повинно перевищувати 4-5 мас. частки%. Збільшення вмісту добавок у припої призводить до зниження механічних властивостей паяного з'єднання.
Пайка металу з керамікою. Кераміка широко застосовується при виготовленні електронних приладів в якості ізолюючого матеріалу. Керамічний матеріал має такі властивості: має
відносно високу механічну і електричну міцність, низькі діелектричні втрати при високій температурі, має термостійкість, вакуумної щільністю, здатністю утворювати вакуумно-щільні з'єднання з металами.
Керамічний матеріал складається з зерен оксидів алюмінію або цирконію (основа), які з'єднані між собою стеклофазой, що представляє собою інші оксиди, які мають більш низьку температуру розм'якшення, ніж основа.
При з'єднанні кераміки з металами застосовують в основному два методи: пайку з використанням метализаційні покриття кераміки і пайку без нанесення металопокриття.
У електровакуумному виробництві найбільшого поширення знайшла технологія з використанням попередньо нанесеного покриття. Для цього на поверхню кераміки наносять пасту з порошків тугоплавких металів і вжігают їх. В результаті вжигания на поверхні керамічної деталі виходить шорсткувате металеве покриття, яке змочується високотемпературними припоями. Зазвичай використовується молибдено - марганцева паста, що складається з 80 мас. частки% молібдену і 20 мас. частки% марганцю. Метализаційні паста, нанесена на кераміку, вжігается в суміші азоту і водню (3: 1) при температурі 1300-1600 ° С, в результаті спікання утворюється міцне з'єднання між керамікою і металевим шаром. Як припоев для пайки кераміки з металом зазвичай використовуються срібло, мідь, мідно-срібні та золотонікелевие сплави (ПСР 72, ПЗлМн 35, ПЗлМ37, ПЗлМ35, ПЗлН82.5).
Перед паянням припоями ПСр72, ПЗлМ37, ПЗлМ35 на молибдено-марганцевий шар гальванически наноситься нікель товщиною 2-3 мкм, який покращує розтікання припоїв по металізованої поверхні.
Решта припои задовільно змочують металізовану поверхню кераміки і добре заповнюють зазори між деталями без додаткового покриття.
Нагрівання під пайку рекомендується здійснювати в середовищі сухого водню або суміші азот-водень.
Металеві деталі, що підлягають пайку з керамікою, виготовляються найчастіше з ковара (сплав залізо-нікель-кобальт) або з міді. Всі вживані металеві матеріали добре змочуються перерахованими припоями і тому не вимагають спеціальної підготовки.
Пайку металокерамічних вузлів виробляють в печах, що забезпечують повільний (не більше 10-15 ° С / хв) і рівномірний нагрів, а також досить точний контроль температур. Швидкість охолодження вузлів після пайки не повинна перевищувати 10-15 ° С / хв. Витримка при температурі пайки зазвичай не перевищує 5 хвилин.
На відміну від пайки з металізації другий метод з'єднання кераміки з металами називають активним або безпосереднім. Відомо, що такі метали, як титан і цирконій, при високотемпературному нагріванні активно взаємодіють не тільки з газами і металами, але і з багатьма хімічними сполуками, що входять до складу кераміки; в результаті з'являється можливість отримувати паяні з'єднання металу з керамікою без її металізації.
При пайку активний метал в зону з'єднання може вноситися або у вигляді порошку чистого титану або цирконію, або в складі припою. Іноді соединяемая з керамікою деталь виготовляється з титану або цирконію, які служать постачальниками активного металу в припій, який розчиняє їх у процесі пайки.
Для пайки з титаном застосовується берилієва і алюмооксидного кераміка різних марок. В якості припою найчастіше використовується сплав ПСР 72. застосовуються також чисті мідь і нікель, які в процесі нагрівання під пайку утворюють з титаном низкоплавкие з'єднання, змочують кераміку, а також мідно-титанові і нікель-титанові сплави у вигляді порошків або біметалів.
Умовою отримання високоякісного з'єднання «титан-кераміка» є, можливо, більш щільне прилягання титанової деталі до керамічної в момент пайки.
Пайка металокерамічних з'єднань повинна здійснюватися в печах з розрідженням не нижче 10-4 мм. рт. ст. (1,3310-2 Па). Підйом температури пайки повинен проводитися зі швидкістю не більше 15-20 ° С / хв. Максимальна температура пайки на 20-40 ° С вище температури розплавлення припою або освіти самого низкоплавкого з'єднання з активним металом. Швидкість охолодження після пайки повинна бути не більше 10 ° С / хв.