Паяння та лудіння

Загалні відомості про паяння. Припої та флюси

Паяння — це процес виготовлення нерознімного з’єднання матеріалів з нагріванням нижче температури їх автономного плавлення (змочування, розтікання й заповнення зазора між ними розплавленим припоєм і зчеплення їх при кристалізації шва).

 Паяння широко застосовують у різних галузях промисловості. У машинобудуванні його використовують при виготовленні лопаток і дисків турбін, трубопроводів, радіаторів, ребер двигунів повітряного охолодження, рам велосипедів, посудин промислового призначення, газової апаратури тощо. В електропромисловості та приладобудуванні паяння є в ряді випадків єдино можливим методом з’єднання деталей. Паяння застосовують при виготовленні електро- і радіоапаратури, телевізорів, деталей електромашин, плавких запобіжників тощо.

  До переваг паяння належать: незначне нагрівання з’єднуваних частин, що зберігає структуру й механічні властивості металу; чистота з’єднання, яка, найчастіше, не потребує подальшої обробки; збереження розмірів і форми деталі; міцність з’єднання.

  Сучасні способи дають змогу паяти вуглецеві, леговані й нержавіючі сталі, кольорові метали та їх сплави.

  Припої. Якість, міцність та експлуатаційна надійність паяного з’єднання в першу чергу залежать від правильного вибору припою. Не всі метали і сплави можуть бути припоями. Припої повинні мати такі властивості:

• температуру плавлення, нижчу за температуру плавлення матеріалів, що паяють;
• у розплавленому стані (у захисному середовищі, під флюсом або у вакуумі) добре змочувати матеріал, що паяється, і легко розтікатися по його поверхні;
• забезпечувати досить високі зчеплюваність, міцність, пластичність і герметичність паяного з’єднання;
• мати коефіцієнт термічного розширення, близький до відповідного коефіцієнта матеріалу, що паяється.

У результаті тривалого практичного відбору і численних наукових досліджень були підібрані групи припоїв, що мають оптимальне поєднання властивостей.

Залежно від температури плавлення припої класифікують так (рис. 2.1.1): тверді (тугоплавкі) — високоміцні, що мають температуру плавлення понад 500 °С; м’які (легкоплавкі) — менш міцні, що мають температуру плавлення нижче 500 °С.

Легкоплавкі припої широко застосовують у різноманітних галузях промисловості та побуту; вони являють собою сплав олова зі свинцем. Різні кількісні співвідношення олова зі свинцем визначають властивості припоїв.

Олов’яно-свинцеві припої порівняно з іншими мають високу змочувальну здатність, добрий опір корозії. Під час паяння цими припоями властивості з’єднуваних матеріалів практично не змінюються.

Легкоплавкі припої служать для паяння сталі, міді, цинку, свинцю, олова та їх сплавів, сірого чавуну, алюмінію, кераміки, скла й ін.

Паяння легкоплавкими припоями застосовують тоді, коли не можна нагрівати метал до високої температури, а також при невисоких вимогах до міцності паяного з’єднання. З’єднання, спаяні за допомогою легкоплавких припоїв, досить герметичні.

Легкоплавкі припої випускають у вигляді чушок, дроту, литих прутиків, зерен, стрічок фольги, трубок (заповнюють каніфоллю) 0,2—5 мм, а також у вигляді порошків і паст із порошку з флюсом.

Легкоплавкі припої можна виготовити й безпосередньо в цеху або майстерні. Для цього у металевих ковшах розплавляють олово й старий припій, потім додають невеликі шматочки свинцю, добре розмішують. Для того щоб припій не вигоряв, поверхню посипають товченим деревним вугіллям.

Для одержання спеціальних властивостей до олов’яно-свинцевих припоїв додають сурму, вісмут, кадмій, індій, ртуть та інші метали.

Олов’яно-свинцеві припої виготовляють таких марок:
безсурм’янисті — ПОС 90, ПОС 61, ПОС 40, ПОС 10, ПОС 61М і ПОСК 50-18;
малосурм’янисті — ПОССу 61-05, ПОССу 50-0,5, ПОССу 40-0,5, ПОССу 35-0,5, ПОССу 25-0,5, ПОССу 18-0,5;
сурм’янисті ПОССу 95-5, ПОССу 40-2, ПОССу 35-2, ПОССу 30-2, ПОССу 25-2, ПОССу 18-2, ПОССу 15-2, ПОССу 10-2, ПОССу 8-3, ПОССу 5-1 і ПОССу 4-6.

У позначенні марки літери означають: ПОС — припій олов’яно-свинцевий; М — мідь; К — калій; цифри означають: перша — вміст олова, %; наступні — вміст міді й калію, % (решта — до 100 % — свинець). Для слюсарних робіт частіше застосовують припій ПОС 40.

Легкоплавкі припої застосовують при паянні тонких олов’яних предметів, скла з металевою арматурою, деталей, які особливо чутливі до нагрівання, а також тоді, коли припій має бути температурним запобіжником (в електричних теплових приладах тощо).

Тугоплавкі припої — це тугоплавкі метали та сплави. З них широко застосовують мідно-цинкові та срібні. Для одержання певних властивостей і температури плавлення в ці сплави додають олово, марганець, алюміній, залізо й інші метали.

Додавання у невеликій кількості бору підвищує твердість і міцність припою, але й підвищує крихкість паяних швів.

З’єднання, паяні міддю й припоями на її основі, мають високу корозійну стійкість; більшість з них витримують високі механічні навантаження. Температура паяння припоями на мідній основі становить 850—1150 °С. Ці припої застосовують для одержання з’єднань, які мають бути міцними при високих температурах, в’язкими, стійкими проти втомленості й корозії. Цими припоями можна паяти сталь, чавун, мідь, нікель та їх сплави, а також інші метали, й сплави з високою температурою плавлення. Тверді припої поділяють на дві основні групи — мідно-цинкові й срібні.

Мідно-цинкові припої випускають трьох марок: ПМЦ-36 для паяння латуні з вмістом 60—68 % міді; ПМЦ-48 — для паяння мідних сплавів, що мають міді понад 68 %; ПМЦ-54 для паяння бронзи, міді, томпаку і сталі. Мідно-цинкові припої плавляться при 700—950 °С.

У назві марки літера П означає слово «припій», МЦ — мідно-цинковий; цифра вказує на вміст міді (%).

Ці припої випускають у вигляді зерен. Зерна припоїв залежно від розміру поділяють на два класи: А — зерна розміром 0,2—3 мм; Б — зерна розміром 3—5 мм.

Флюси. З підвищенням температури швидкість окислення поверхонь деталей, що паяються, значно зростає, в результаті чого припій не пристає до деталі. Для видалення оксиду застосовують хімічні речовини, які називаються флюсами. Флюси поліпшують умови змочування поверхні металу, що паяється, розплавленим припоєм, захищають поверхню паяного металу та розплавленого припою від окислення при нагріванні та в процесі паяння, розчиняють існуючі на поверхні металу, що паяється, та припою оксидні плівки.

Розрізняють флюси для м’яких і твердих припоїв, а також для паяння алюмінієвих сплавів, нержавіючих сталей і чавуну.

Флюси для м’яких припоїв. До цих флюсів належать хлористий цинк, нашатир, каніфоль, паяльні пасти тощо.

Хлорид цинку, який називається також травленою кислотою,— дуже добрий флюсуючий засіб при паянні чорних і кольорових металів (окрім цинкових та оцинкованих деталей, алюмінію та його сплавів). Приготовляють хлористий цинк розчиненням 1 ч. дрібно порубаного цинку у 5 ч. соляної кислоти.

Для того щоб хлористий цинк не дуже сприяв корозії паяного шва, до розчину додають нашатирний спирт, доливаючи його до хлористого цинку тонкою цівкою до зникнення молочного кольору.

Нашатир (хлористий амоній) — біла гірко-солона на смак сіль. Використовується у вигляді порошку й кристалів. При нагріванні нашатир розкладається з виділенням шкідливого для здоров’я білого газу, тому при паянні слід застосовувати не чистий нашатир, а розчин, що складається з 0,5 л води, 100 г нашатирю та невеликої кількості хлористого цинку.

Досить енергійним є такий флюс (%): хлористого цинку — 25—20, нашатирю — 5—20; води — 70—30.

Каніфоль — жовтувато-коричнева смолиста речовина, яку дістають у вигляді паличок або порошку, переганяючи соснову смолу. Флюсуючі властивості каніфолі значно слабші, ніж у інших флюсів, але вона не викликає корозії паяного шва. Завдяки цьому каніфоль застосовують переважно для паяння електро- і радіоапаратури, у вигляді порошку, паличок або розчину в спирті.

Паяльна паста — це рідина, виготовлена з хлористого цинку й амонію або хлористого цинку і крохмалю.

Для виготовлення паяльної пасти крохмаль розчиняють у воді, потім розчин кип’ятять доти, доки не зробиться клейстер. Крохмальний клейстер у холодному вигляді додають до розчину хлористого цинку або хлористого амонію, перемішуючи доти, доки не вийде ледь липка рідина.

При паянні нержавіючих і жароміцних сталей застосовують суміш з 50 % плавленої бури і 50 % борної кислоти, розчинених у розчині хлористого цинку до густої пасти. При паянні сірого чавуну до бури додають хлористий калій, перекис марганцю або оксид заліза.

При паянні паяльну пасту рівним шаром наносять на поверхні, що паяються. Після паяння залишки змивають водою за допомогою волосяної щітки або ганчір’я.

Флюси для твердих припоїв. До цих флюсів належать бура, борна кислота та деякі інші речовини.

Буру застосовують у вигляді порошку, для чого її товчуть у ступці й просіюють. Для того щоб при нагріванні бура не пінилася, перед застосуванням її прожарюють. Бура легко вбирає вологу з повітря, тому її зберігають в банці з притертою пробкою. Рекомендується застосовувати безводну буру, оскільки інакше флюс при нагріванні втрачає воду, набрякає й тріскається, внаслідок чого ускладнюється процес паяння. Недоліком бури є те, що після охолодження вона залишає на шві досить міцну плівку. Для зниження температури плавлення в буру інколи додають хлористий цинк.

Борна кислота — це білі, жирні на дотик лусочки. За своїми флюсуючими властивостями борна кислота краща за буру, але використовується рідше, оскільки вартість її вища.

Флюси для паяння алюмінієвих сплавів. Як флюси при паянні алюмінієвих сплавів застосовують складні за хімічним складом суміші: фтористого натрію, хлористих літію, калію, цинку й ін. Хлористі солі мають здатність розчиняти оксиди алюмінію, тому їх роль у флюсах є основною. Хлористі літій і калій вводять до складу флюсів для зниження температури плавлення.

При паянні алюмінію м’якими припоями застосовують таку суміш: 3 мас. ч. деревного масла; 2 мас. ч. каніфолі; 1 мас. ч. кальцинованого хлористого цинку. Для паяння алюмінію та його сплавів використовують також флюс 34А, що складається з 10 % фтористого натрію, 8 % хлористого цинку; 32 % хлористого літію, 50 % хлористого калію.

Флюси для паяння нержавіючих сталей. Одним з таких флюсів є пастоподібна суміш бури й борної кислоти (порівну), замішана у насиченому розчині хлористого цинку. Застосовують також флюс 200, який складається з 70 % борної кислоти, 21 % бури і 9 % фтористого калію. Цей флюс придатний для паяння конструкційних і нержавіючих сталей, а також жароміцних сплавів латунню з твердими припоями.

Флюсом для паяння чавуну (сірого чи ковкого) служить бура (~60 %) з додаванням хлористого цинку (~38 %) і марганцевокислого калію (~2 %). До цього флюсу, крім того, входить перекис марганцю (або хлорат калію), який сприяє вигорянню графіту з поверхні металу і тим самим забезпечує одержання чистої, добре змочуваної припоєм поверхні.

Флюсом для паяння свинцевих сплавів може служити стеарин.