ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИПОЕВ И ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Теплопроводность. Теплопроводностью называют перенос тепла, обусловленный наличием в материале градиента температуры, а иногда и градиента концентрации компонентов (эффект теплопро­водности Дюфо).

Теплопроводность в металлах обусловлена движением и взаи­модействием электронов зоны проводимости и подсчитывается как сумма электронной и решеточной проводимости: Я=Я.8л+Яреш.

Электронная проводимость преобладает при нысоких температурах и подсчитывается по формуле: KnloT)—vfi/3(Rle) где О — электро­проводность; е — заряд электрона; Т — абсолютная температура; R — постоянная Больцмана.

Решеточная проводимость обусловлена коллективными колеба­ниями атомов кристаллической решетки и подсчитывается по фор­муле:. Я, реш = 1/3сгри1, где cv—теплоемкость при постоянном объеме; р — плотность металла: v — средняя скорость распространения

квантов поля колебаний кристаллической решетки (фоноиов); I — средняя длина пробега фоноиов.

При низких температурах с ростом температуры средняя теп­лопроводность металлов увеличивается, а при высоких — убывает, асимитотически приближаясь к значению электронной теплопровод­ности.

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество тепла передается за единицу времени через единичную площадь стеики единичной толщины при разности температур между поверх­ностями стенкн в один градус. Коэффициент теплопроводности ме­таллов изменяется в широких пределах. Наиболее теплопроводны­ми металлами являются (в порядке ее убывания) серебро, медь, золото, алюминий (422,8; 385,85; 311,53; 226,69 Вт/м-К). при 20°С. Теплопроводность других металлов' приведена в табл. 73.

Теплопроводность технических сплавов металлов изменяется в пределах 56,53—83,14 Вт/(м-К), жидких металлов — в пределах 3,14—37,62 Вт/(м-К). Теплопроводность чистых металлов снижает­ся при введении компонентов, образующих с основой твердые растворы; снижение теплопроводности металлов тем сильнее, чем шире область твердого раствора и чем больше легирующего эле-, мента находится в растворе.

Наивысшей теплопроводностью среда серебряных припоев обладает серебряный. припой ПСр72. Теплопроводность припоев Си—Р того же порядка, что и теплопроводность меди. Среди из­вестных припоев наименьшей теплопроводностью обладают припои на основе свинца и на основе олова. Их теплопроводность находит­ся в пределах 0,334—5,65 Вт/(м-К); заметно понижает теплопро­водность оловянных, свинцовых и оловянно-свинцовых припоев сурьма.

Подпись: Припой X, Вт/(м-К) ВПр1 32,33 ВПр2 12,98 ВПрІЗ 10,05 ПЖ45-81 23,92 Подпись: Припой Я, Вт/(м-К) ПФ07 29,31 ПОС90 5,44 ПОС61 5,40 ПОС61М 5,40 Подпись: Припой Я, Вт/(м-К) ПОСК60—18 5,44 ПОССуІ 5—2 3,35 ПОССуІО—2 3,35 ПОССу4—6 3,35

Теплопроводность никелевых, бронзовых припоев 38,4— 314,08 Вт/(м-К), латунных 46,05—314,08 Вт/(м-К). Это указывает на то, что теплопроводность припоев в значительной степени опре­деляется теплопроводностью основы: чем она выше, тем более теп­лопроводен припой. Наименьшее понижение теплопроводности меда отмечается при введении в нее серебра или хрома, наибольшее — при введении марганца и никеля, образующих с ней непрерывные ряды, твердых растворов. Данные о теплопроводности некоторых среднеплавких и легкоплавких припоев приведены ниже [6]:

Данные о теплопроводности оловянно-свинцовых стандартных припоев приведены в ГОСТ 1499—70.

Теплопроводность паяных соединений в значительной степени определяется теплопроводностью припоя, особенно при его слабом химическом сродстве с паяемым металлом. Однако при образова­нии между ними ограниченных иля неограниченных твердых раство­ров теплопроводность паяных соединений может снижаться по сравнению с теплопроводйостью припоя.

Теплопроводность припоев и паяных соединений является важ­ным параметром для изделий, в которых интенсивный теплообмен служит определяющей эксплуатационной характеристикой, напри­мер, для теплообменников. Высокая теплопроводность припоев важ­на и для обеспечения высокого качества паяных изделий из дета­лей с различными коэффициентами теплопроводности. Пониженная
теплопроводность паяных соединений необходима для предотвра­щения или торможения теплопередачи при эксплуатации изделий.

К припоям с повышенной теплопроводностью относятся припои типа ПСр92 и припои, легированные никелем и палладием, %: Ag—3,9—4,9 Си—0,9—1,2 Ni—4,5—5,2 Pd или Ag—1—7,5 Си—ОД—- 3,5 Ni—1—10 Pd с содержанием примесей менее 0,16%. Специаль­но разработанный припой с низкой теплопроводностью типа ПСр92, легированный кремнием, индием и палладием, состава, .%: Ag—7,5 Си—0,2 Si—5,5 In—2,2 Pd; индий и палладий вводятся вместо серебра.

Электропроводность и электросопротивление. Мерой электропро­водности является удельная объемная электропроводность ст, рав­ная отношению плотности тока проводимости к напряженности электрического тока. Для проводников (металлов) характерна электронная проводимость, ионная составляющая в них ничтожна.

Обратной величиной электропроводности является электросо­противление р, которое чаще всего и используется для характерис­тики материалов. Значения электросопротивления для важнейших элементов, применяемых в качестве компонентов конструкционных материалов и припоев при 20 °С [66], приведены ниже:

Металл

P‘10*.

Ом»мм8/м

Металл

Р-Ю»,

Om-mm2/m

Ag

1,62

Fe

10,00

Си

1,70

Sn

11,30

Аи

2,30

Pd

13,00

А1

2,62

Та

14,00*

Mg

4,00

Nb

16,00

Мо

5,00

Pb

19,00*

W

5,0

Sb

39,00

Zn

6,10

Ті

44,00

Ni

7,50

Zr

50,00

Cd

7,57

Bi

109,0*

In

8,4®

Mn

258,0*

Pt

9,81*

•При 0°С.

При слабом химическом сродстве паяемого металла н припоя электросопротивление паяного соединения близко к электросопро­тивлению припоя; при более высоком их химическом сродстве элек­тросопротивление паяного соединения может существенно отличать­ся от электросопротивления припоя в сторону его увеличения, так как твердые растворы имеют большой коэффициент электросопро­тивления, чем чистые металлы.

Подпись: Припой Мп ПМ36 ПМц48 Подпись: р-ю», Ом-мма/м 3 3,6 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИПОЕВ И ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИПОЕВ И ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Низкое электросопротивление весьма важно для соединений, длительно работающих под действием электрического тока, и явля­ется во многих случаях характеристикой, определяющей работоспо­собность, надежность и ресурс паяных изделий. Значения электро­сопротивления некоторых припоев приведены ниже:

Припой

р-Ю*.

Припой

р-ю

Припой

р-10»,

мп

Ом-мм5/м

м„

Ом-мм2/м

м„

Ом-мм2/м

ПМц54

4,0

ПСр70

4,2

ПСр40

7,0

Л63

7,1

ПСр!2б

6,9

ПСр37,5

37.fi

Л68

7,1

ПСрЮ

6,5

ПСр62

25,5

ВПр2

8,0

ПСр12

7,6

ПСрБО*

2,5

ПЖ45—81

41,0

ПСр25

18,6

Пср72

2,1

ПМФЗ

1,7

ПСр15

20,7

Коэффициент электросопротивления ДЛЯ ОЛОВЯННО-СВИНЦОВЫХ припоев, припоя ПОС61М, оловянно-свинцовых припоев с 0,6% Sb составляет (1,2—2%)-10-* 14,3-10-* и (13,3—18,8) ■ 10~8 Ом-мм2/м соответственно.

При содержании в оловянно-свинцовых припоях 2% Sb коэф­фициент электросопротивления находится в интервале (17,2— 20,8)-10-8 Ом-мм2/м. Наименьшее электросопротивление имеют припои системы Ag—Си, латунн, бронзы Си—Р.

Известны припои, обеспечивающие низкое электросопротивле­ние паяных соединений. Такими припоями для коррозионностойких сталей, меди и алюминиевой бронзы являются следующие, %: Sn—0,5—20 Pb—0,2—10 Ag—0,1—5 Си—0,1—3 Zn—0—3 Si с тем­пературой плавления 295—345°С и значением р= 1,18-10-8 Ом-мм2/м, а для флюсовой пайки алюминия и его сплавов припои состава, %: А1—1'5>—22 Си—1—5 Si—7—16 Zn с температурой плавления 480—560 °С и электросопротивлением р=2,11-10-8 Ом-мм2/м.

Сверхпроводимость соединений из меди обеспечивает припой состава, %: 20—40 РЬ—10—15 Sn—10 Cd—10 Sb—<18 In. Этот припой проводит ток силой до 352 А.

Дж. Р. Томпсон и Дж. О. Томпсон обнаружили, что припой состава, %: Ag 50±1, Си 16,5±0,3, Zn 15,5±2, Cd 16±1, Ni±0,3 с температурой плавления 680—740 °С обладает сверхпроводимос­тью. Поэтому применение этого припоя нежелательно в изделиях,- где есть приборы, чувствительные к изменению магнитного ПОЛЯ.

Герметичность, вакуумная плотность и вакуумная стойкость паяных соединений. Герметичность — способность материалов со­противляться вытеканию наружу из герметизированных областей изделия газов или жидкостей, находящихся под давлением. Ваккум - ная плотность — способность материалов сопротивляться проникно­вению газов внутрь герметизированных областей изделия из окру­жающего его пространства.

Материалов с абсолютной вакуумной плотностью и герметич­ностью не существует. Любой материал способен пропускать газы, и эта способность зависит от температуры окружающей среды,' толщины стенки и разности давлений по обе ее стороны. Наибо­лее легко проникают газы и жидкости через дефекты—поры, тре­щины, раковины в металлах и швах сварочных и паяных соединений.

Герметичность паяных соединений зависит также н от влияния температурного режима пайки на свойства основного материала. Так, при высокотемпературном (>650—700°С) отжиге меди (миг - кая, нагартованная или полунагартованная),— сопровождаемом интенсивным ростом ее зерна в результате собирательной рекри­сталлизации, резко снижается прочность меди в зоне термического влияния пайки и соответственно герметичность паяного соединения.

Внутреннее давление Р, Па, выдерживаемое, например, пая­ным телескопическим соединением медных труб, рассчитывается по формуле Р—172,4- 1066ав/Д где 6 — толщина стеики трубы; о* — временное сопротивление разрыву паяного соединения; и — диаметр трубы. Экспериментальные данные по герметичности паяных мед­ных труб приведены в табл. 74.

Таблица 74. Герметичность паяных медных труб

<пл. °c

68

СП2

Р-172,4

МПа

ПСр40

610

0,02—0,3

Флюс

320*

ПСр45

660—725

0,10

типа 209 To же

120*

йц—17% Zn—22%

605i—725

0,02—0,3

> •

180

Си—5%Sn ПСрФ15—5

646—810

0,3

Без

180

Zn—Ag

550

_

флюса

Флюсо-

330**

Sn— Pb

183—325

вая

330**

5n—Ag

182—325

330**

Примечание. СПЗ для припоя ПСр40 газопламенный, для осталь­ных припоев — электросопротивлением.

* Данные В. Вуиха. ’"Данные из Warme, Kllma u. Sanltantechnik, 1971, Bd 23, Si 6, S. 241—242.

Эти данные показывают, что существенное влияние на герме­тичность соединений оказывает температура плавления припоя: соединения из медных труб, паянные при температуре выше 725°С, имеют существенно меньшую герметичность (из-за роста зерна меди).

При достаточной нахлестке в случае пайки оловянно-свинцо­выми припоями можно обеспечить более высокую герметичность паяных соединений медных труб, чем при пайке более прочными, но более высокотемпературными припоями на основе серебра.

Для устранения в емкостях течей, обнаруженных в процессе испытаний на герметичность, иногда используют висмутовые при­пои, характеризующиеся способностью увеличивать свой объем при переходе из жидкого состояния в твердое. Этот эффект может быть усилен введением в висмутовые припои галлия, кремния, или гер­мания, также увеличивающих свой объем при затвердевании [67].

В условиях работы паяных соединений в вакууме при повы­шенных температурах их герметичность может быть нарушена в результате потери ими вакуумной стойкости — свойства материалов сопротивляться термическому разрушению в вакууме. Мерой ва­куумной стойкости для металлических материалов принята скорость испарения их в вакууме и давление образовавшегося пара.

Среди тугоплавких металлов минимальным значением скорос­ти испарения в вакууме обладают вольфрам, скорость испаре­ния которого при 2500—3000 К составляет 10—11 г/(см2-с), затем следует тантал, ниобий, молибден, имеющие такую же скорость испарения при 2100, 1930 и 1750 К соответственно. Данные о дай* легаш пара металлов приведены, например, в справочных изданиях [16, 66] и др.

Припои, предназначенные для пайки узлов электровакуумных приборов, должны быть легированы элементами с малым давле­нием пара. Их интервал кристаллизации, как правило, достаточно узок, что предупреждает развитие усадочной пористости. Такие припои хорошо смачивают паяемый материал в вакууме.

К компонентам медных припоев, обеспечивающим образование вакуумплотных швов, относятся германий, кобальт, олово, галлий. Обычно высокая пластичность таких припоев сохраняется при со­держании этих компонентов в пределах их растворимости в припое.

В табл. 75, 76 приведены составы некоторых ирипоев, обеспе­чивающих получение паяных швов с высокой вакуумной плотностью. Припои с давлением насыщенных паров не выше 0,133-10~8 Па при 800 °С, применяемые для пайки коррозиониостойких сталей, образуют тонкие галтели и ие стекают в вертикальных зазорах, К ним относятся, например, припои, %; Sn 48 Си—8 Ni—ІД Si (<п=1220вС); 73,4 Си—25 Ni—1,5 Si (<п=1150 °С); 92,8 Си—5 Sn—1,5 Si—0,6 Be—0,1 В (<п=1000°С).

Все припои пластичны и могут быть изготовлены в виде фоль­ги, проволоки. Коэффициенты термического расширения припоев а при 100—800 °С изменяется в пределах (12—17) - 10е 1/°С.

Припои пригодны для пайки в чистом водороде с точкой росы ниже —110 °С (с предварительной откачкой контейнера до 6,66 Па).

Оставить комментарий