Превращение древнего ремесла — пайки в один из важнейших технологических процессов современного производства произошло благодаря современной научно-технической революции. Бурное развитие техники в различных отраслях промышленности обусло­вило широкое ее применение, и в первую очередь в машинострое­нии и электронике и электротехнической промышленности. Это связано с тем, что пайка, как процесс формирования соединений материалов, осуществляется при температурах ниже температуры начала плавления паяемого материала и характеризуется возмож­ностью автоматического ее регулирования, так как во многих слу­чаях на границе паяемого материала и жидкого припоя устанавли­вается состояние локального равновесия, являющегося основой такого регулирования. При сварке плавлением и в твердой фазе значительно труднее реализовать локальное равновесие. Вслед­ствие этого технология пайки существенно отличается от техно­логии сварки плавлением и сварки давлением и требует специаль­ных технологических и вспомогательных материалов и оснащения.

В настоящее время пайка наряду со сваркой является одним из наиболее распространенных способов получения неразъемных соединений в современном производстве. Важнейшее достоинство пайки — формирование паяного шва при температуре ниже тем­пературы автономного плавления соединяемых металлов. Это обстоятельство дает возможность вести процесс в условиях общего нагрева и позволяет:

осуществлять групповую пайку и широкую ее механизацию и автоматизацию, что обеспечивает высокую производительность процесса в крупносерийном и массовом производстве;

получать соединения в скрытых и малодоступных местах изде­лий, изготовлять тонкостенные изделия с большой плотностью пая­ных соединений и их объемным расположением за один нагрев, повышать коэффициент использования материала и снижать ме­таллоемкость изделий;

соединять детали не только последовательно по контуру шва, как при сварке плавлением, но и одновременно, в том числе по по­верхности, что обусловливает возможность варьирования проч­ности паяных соединений и конструкции изделий;

ограничиваться при пайке давлениями на порядок меньшими, чем при сварке давлением;

соединять разнородные металлические и неметаллические мате­риалы и с большей разностенностью деталей, чем при сварке плавлением;

выбирать температуру процесса в зависимости от необходи­мости сохранения механических свойств материалов изделия после пайки, возможности совмещения нагрева под пайку с термообра­боткой и выполнения ступенчатой пайки;

обеспечивать плавность галтельных участков шва, а следова­тельно, высокую прочность и надежность их в условиях вибрацион­ных и знакопеременных нагружений;

разъединять детали и сборочные единицы путем распайки при температуре ниже температуры автономного плавления паяемого материала и ремонтировать изделия в полевых условиях.

Особо важное значение имеют вопросы обеспечения равнопроч - ности паяных соединений. Как известно, препятствиями для дости­жения равнопрочности паяных соединений в ряде случаев явля­ются более низкая прочность и пластичность большинства припоев по сравнению с паяемым металлом, литая структура в шве, высо­кое химическое сродство компонентов припоев с основой или ком­понентами паяемого материала, приводящее к росту прослоек химических соединений, развитие в паяном соединении диффузион­ной пористости, слабая активность газовых сред и флюсов при температуре пайки, нетехнологичность конструкции паяемых. сое­динений и изделий, развитие остаточных паяльных напряжений в элементах и паяных соединениях и др. Однако потенциальные возможности повышения прочности паяных швов достаточно велики в связи с малым объемом литого металла в паяном соеди­нении, развитием новых способов пайки и в первую очередь диф­фузионной пайки, достижениями в области интерметаллидного упрочнения сплавов в литом состоянии.

Появившиеся в последние годы возможности в области повы­шения пластичности и прочности припоев до значений, близких к теоретическим [при отсутствии в них ликвации и зерен в резуль­тате быстрого охлаждения (106 °С/с) ], указывают на принци­пиальную возможность повышения прочности шва также путем регулирования скорости охлаждения.

Известные данные по космической металлургии, при отсутствии гравитации, подтвердили возможность безликвационного форми­рования слитка, что также указывает на пути повышения проч­ности паяных соединений, например в условиях пайки в космосе. Успешное применение интерметаллидного упрочнения литейных сплавов специальным легированием и термообработкой новых при­поев для пайки показывает перспективность и этого направления.

Переход от понимания процессов образования соединения при пайке к управлению качеством паяных соединений возможен лишь при учете быстро возрастающей информации в области теории, технологии и техники пайки, что требует системного подхода и переработки такой информации для автоматизированного проекти­рования технологии и технологических процессов, что необходимо в нынешних условиях разработки и внедрения гибких автоматизи­рованных систем в современном производстве.

Глава 1

1. ПАЙКА, ЕЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ, ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Пайкой называется образование соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже темпера­туры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации (ГОСТ 17325—79).

При пайке автономного плавления паяемого материала не про­исходит, так как процесс осуществляется при нагреве до темпера­туры ниже температуры его солидуса. Однако паяемый металл контактирует с припоем в ином агрегатном (жидком) состоянии. При этом паяемый металл и припой, имеющие химическое срод­ство, представляют неравновесную систему, так как на их границе существует градиент концентраций и энергии. Поэтому процессы взаимодействия материалов при пайке связаны с обменом ве­ществом и передачей энергии, происходящими специфическим образом. Такое взаимодействие базируется на взаимодополняю­щих феноменологических (макроскопических) и микроскопических методах анализа. Важнейшим феноменологическим методом ана­лиза при этом является термодинамика.

Переход термодинамической системы паяемый материал — припой из весьма неустойчивого лабильного в более стабильное или метастабильное состояние происходит необратимо и состоит из двух стадий: активируемой и самопроизвольной неактивируемой. Энергетическим стимулом первой активируемой стадии перехода системы в более стабильное состояние при постоянном давлении ро и температуре То служит непрерывное увеличение потенциаль­ной энергии активации на границе двух фаз за счет кинетической энергии, а второй неактивируемой стадии — непрерывное умень­шение термодинамического изобарного потенциала системы (диф­фузионная стадия).

Переход из одного равновесного состояния в другое с преодо­лением энергии активации Q происходит через особые неравно­весные состояния — активируемые состояния атомов. По гипотезе Аррениуса в 1889 г. для газов, распространенной для твердых и жидких тел В. А. Левичем, в единице объема активируются не все N атомов, а лишь те No, которые при температуре То обладают избыточной энергией Q: по = Ne~QRT, где R — газо­вая постоянная. Энергия активации Q — это потенциальная энер­гия, которая увеличивается за счет кинетической энергии системы,

особенно при эндотермических процессах (например, плавлении). При передаче кинетической энергии в термически активируемом процессе порциями потенциальная энергия также увеличивается в виде флуктуаций. Таким образом, активируемое состояние является переходным (промежуточным состоянием) с повышенной потенциальной энергией. Оно возможно не только при поглощении теплоты (эндотермических реакциях), но и при деформации. Акти­вируемые состояния возникают при фазовых переходах первого рода [9].

К фазовым переходам первого рода относятся фазовые превра­щения однокомпонентных систем, объем которых при температуре То и давление ро изменяется скачком и одновременно происходит выделение или поглощение теплоты. К ним относятся равновесные переходы из одного агрегатного состояния в другое, полиморфные превращения, связанные с изменением температуры и давления в процессах диффузии, образования зародышей новых фаз при кристаллизации и распаде твердых растворов и др. Самопроиз­вольные фазовые переходы первого рода и их изменения по вто­рому закону термодинамики стимулируются условиями dS> 0 и dz^.0 при постоянных давлении р и температуре Г, где 5 — энтро­пия; z — термодинамический (изобарный) потенциал.

К фазовым переходам второго рода относятся равновесные превращения однофазовой системы, при которых температура То и давление ро и первые частные производные z равны нулю, но вто­рые частные производные изменяются скачком (например, темпе­ратурный коэффициент объемного расширения и сжимаемость).

Фазовый переход первого рода происходит самопроизвольно в результате конечных флуктуаций местной и общей энергии (энергии активации) на границе контактирующих материалов. При этом степень активации атомов поверхностного слоя жидкой фазы более высокая, чем степень активации атомов контактирую­щей с ним твердой фазы, вследствие большой подвижности атомов в жидком состоянии.

Наиболее известны две формы движения (процессов) и фазо­вых переходов (превращений): диффузионное и бездиффузионное. При диффузионных формах движения и фазовых переходов спон­танное перемещение атомов и вакансий происходит статистически, с обменом местами. Такие переходы характерны для контакта веществ в одинаковом агрегатном состоянии. При бездиффузион - ном движении или переходе перемещение атомов происходит кооперативно (коллективно) за один акт или последовательно за несколько актов, без обмена атомов и вакансий на расстояния, не превышающие межатомные. Следовательно, при контакте паяе­мого материала с припоем, находящихся в различном агрегатном состоянии, процессы их взаимодействия должны развиваться в две стадии: сначала должна наступить кинетическая (бездиффузион- ная) активируемая стадия, а потом диффузионная стадия. При этом более равновесное состояние такой системы при смачивании 8

основного материала жидким припоем, вероятнее всего, может быть достигнуто при преодолении относительно высокой энергии активации ВС системы (рис. 1) в результате расплавления твердого ме­талла по кинетическому режиму, т. е. практически по бездиффузионному ме­ханизму. Поэтому продуктом первой активирующей стадии должна быть жидкая фаза [14, 15]. Только после этого может наступить диффузион­ная стадия растворения, т. е. переход атомов паяемого металла из прилежа­щего к нему расплавленного на первой стадии слоя в остальной объем жидкой фазы (припоя). По расчетам А. А. Шебзухова, бездиффузионный этап пайки готовым припоем имеет длительность ~ 0,01 с. Такой вариант контактного плавления твердых кристаллических веществ в контакте с жидким веществом с тем же типом связи (например, металлом), в отличие от контактно-реактивного плавления двух твердых веществ, был назван контактным твердожидким плавле­нием [14, 15], в контакте с паром — твердогазовым плавлением.

Вследствие контактного плавления металлических деталей при пайке могут изменяться их форма, размеры и состояние материала. В связи с этим чисто физический разъем паяемого соединения, аналогичный, например, развинчиванию, разъему механических соединений с прокладками, невозможен. Возможны лишь рас­пайка, разъединение по шву в результате плавления при нагреве выше его температуры солидуса, после чего нельзя получить детали в состоянии, аналогичном исходному, так как изменено состояние паяемого металла в местах, смоченных припоем и под­вергнутых нагреву при пайке, а также изменены форма и размеры детали. Поэтому паяные соединения деталей не являются разъем­ными, т. е. такими, форма, размеры, состояние и шероховатость материала которых после разъема не изменяются.

Как известно, под технологией понимают совокупность спосо­бов и приемов получения и обработки материалов, заготовки, сборочной единицы или изделия. Последовательность осуществле­ния операций и переходов называется технологическим процессом. Технологический процесс пайки состоит из операций подготовки поверхности паяемого материала и припоя, сборки, собственно пайки, обработки паяного изделия после пайки и контроля ка­чества. В технологическом процессе операции до и после пайки определяются выбранной ее технологией и зависят от конструкции и назначения паяемого изделия, состава и свойств паяемого, технологического и вспомогательного материалов.

Способы пайки объединяют в группы по классификационным признакам: формированию паяного шва (СП1), удалению оксид­
ной пленки (СП2), по источнику нагрева (СПЗ), осуществлению давления на детали (СП4) и по одновременности выполнения пая­емых соединений изделия (ГОСТ 17349—79) с соответствующим оснащением, состоящим из нагревательного оборудования и инст­румента, оснастки, средств механизации, автоматизации и роботи­зации. К приемам операции пайки относятся: температурный режим пайки (ТРИ), термический цикл пайки (ТЦП), способ введения припоя и контактных прослоек, флюсовых и газовых средств, приложения давления и др.

Для осуществления пайки прежде всего необходимы припой, его физический контакт с паяемым металлом в жидком состоянии и физико-химическое взаимодействие между ними при заполнении зазора в процессе нагрева по термическому циклу с последующей кристаллизацией паяного шва. В соответствии с этим классифи­кационными признаками первой группы способов пайки (СП1) являются метод получения и полнота расплавления припоя, способ заполнения паяльного зазора припоем и условия кристаллизации паяного шва.

Припой может быть изготовлен заранее (готовый припой), а может образоваться в процессе пайки в результате контактно­реактивного плавления (контактно-реактивный припой), контакт­ного твердогазового плавления (контактный твердогазовый при­пой), в результате высаживания жидкого металла из компонентов флюса (реактивно-флюсовый припой). В соответствии с этим раз­личают контактно-реактивную пайку, контактную твердогазовую пайку и реактивно-флюсовую пайку.

Появление в технике крупногабаритных тонкостенных узлов с большой площадью пайки все более затрудняло возможность сборки деталей с равномерными капиллярными зазорами между криволинейными поверхностями, что приводило к развитию непро - паев, снижению высоты поднятия припоя в зазорах (вертикальных и наклонных) и др. В связи с этим получила развитие компози­ционная пайка — пайка с композиционным припоем, состоящим из наполнителя и легкоплавкой составляющей, в частности, металло­керамическим припоем.

По характеру затекания припоя в зазор различают капилляр­ную (ширина зазора <0,5 мм) и некапиллярную (ширина зазора ^0,5 мм) пайку. При капиллярной пайке припой заполняет зазор самопроизвольно под действием капиллярных сил.

При некапиллярной пайке использована возможность поднятия жидкого припоя в зазорах под действием гравитации, отрицатель­ного давления в некапиллярном зазоре (при откачке воздуха из зазора), магнитных и электромагнитных и других внешне прило­женных сил.

После заполнения зазора припоем паяный шов затвердевает в процессе охлаждения изделия (кристаллизация при охлажде­нии). При температуре выше температуры солидуса припоя про­цесс кристаллизации шва может происходить и в результате отвода депрессата или легкоплавкой составляющей припоя из шва (диффузионная пайка).

Жидкий припой смачивает только чистую поверхность паяемо­го металла. В связи с этим при формировании паяного соединения необходимы условия, обеспечивающие физический контакт паяе­мого материала и жидкого припоя при температуре пайки. Осуще­ствление такого контакта возможно в местах удаления с поверх­ности металла оксидных пленок. Удалить оксидные пленки при пайке и осуществить физический контакт конструкционного мате­риала (Л4К) с припоем (Л4П) можно с применением паяльных флюсов или без них. В последние годы высокие требования по кор­розионной стойкости паяных соединений и стремление к сокраще­нию времени технологических операций привели к расширению применения способов бесфлюсовой пайки. Флюсовая пайка наряду с этим остается во многих случаях также широко применяемым процессом. По физическим, химическим и электрохимическим при­знакам, определяющим процесс удаления оксидов с поверхности основного металла и припоя при пайке, способы пайки объединены в группу СП2.

Способы пайки по источнику нагрева объединены в группу СПЗ. К способам пайки этой группы, применяемым ранее (паяль­ником, горелкой, электросопротивлением, в печи, погружением в расплавы флюса или припоя, индукционному, электролитному), добавились новые с использованием источников нагрева в виде света, лазера, теплоты химических реакций, потока ионов в тлею­щем разряде, инфракрасного излучения, волны припоя, электрон­ного луча, теплоты конденсирования паров и др.

Различают низко - и высокотемпературную пайку. За граничную температуру этих способов принята температура 450 °С. Целе­сообразность такого деления обусловлена тем, что технологи­ческие, вспомогательные материалы и оснащение для низкотемпе­ратурной и высокотемпературной пайки обычно существенно отличаются. Классификационным признаком четвертой группы способов пайки СП4 является отсутствие при фиксированном зазоре или наличие давления на паяемые детали с целью обеспе­чения заданной величины паяльного зазора (прессовая пайка).

Классификационным признаком пятой группы способов СП5 служит одновременность или неодновременность выполнения пая­ных соединений изделия.

Технологическая классификация способов пайки базируется в основном на альтернативности их признаков [12, 16]. На рис. 2 дана технологическая классификация способов пайки (ГОСТ 17349—79). В наименование способа пайки конкретного изделия должны войти по одному или несколько наименований способов из

И

Рис. 2. Технологическая классификация способов пайки

каждой группы и в том же порядке, в каком они перечислены на рис. 2. Например, «контактно-реактивная капиллярная диффузи­онная печная пайка в вакууме под давлением».

К технологическим материалам при пайке относятся такие, компоненты которых входят в состав образующегося паяного сое­динения,— припои и контактные или барьерные покрытия.

По ГОСТ 17325—79 припоем называют материал для пайки и лужения с температурой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов. К вспомогательным материалам относятся такие, компоненты которых непосредственно не входят в состав

12

образующегося паяного соединения, но участвуют в его образова­нии. К ним относятся паяльные флюсы, активные и инертные газо­вые среды, вещества, ограничивающие растекание припоя (стоп - материалы), и др.

Припои подразделяют на две группы — готовые и образую­щиеся при работе.

Готовые припои. Наиболее широкое применение при пайке на­шли готовые припои. Готовые припои классифицируют по следую­щим признакам (ГОСТ 19250—73): по величине их температур­ного интервала плавления; степени расплавления при пайке; основному или наиболее дефицитному компоненту, способности к самофлюсованию; способу изготовления и виду полуфабрикатов (рис. 3).

Температурный интервал плавления припоя — важнейший классификационный признак. Такой интервал ограничен темпера­турой начала (солидус) и конца (ликвидус) плавления припоя. По температуре конца расплавления припои разделяют на пять классов: особолегкоплавкие (^Пл ^ 145 °С); легкоплавкие

(145 °С</Пл<450 °С); среднеплавкие (450 °С</Пл< 1100 °С); высокоплавкие (1100 °С</Пл^ 1850 °С); тугоплавкие (/Пп> >1850 °С).

Число различных припоев, разработанных к настоящему време­ни, весьма велико и продолжает непрерывно увеличиваться, что обусловлено повышением требований, предъявляемых к механи­ческим и служебным свойствам паяных соединений, и необходи­мостью улучшения паяемости существующих и новых материалов.

Классификация готовых припоев по степени их автономного расплавления. По степени автономного расплавления при пайке

Рис. 3. Классификация готовых припоев

припои подразделяют на полностью и частично расплавляемые. Ранее применяли главным образом припои полностью расплавляе­мые при пайке. Исключение составляли припои, применяемые в стоматологической технике, и частично расплавляемые припои с широким интервалом затвердения, которые использовали глав­ным образом при абразивной пайке.

В 60-е и последующие годы получили развитие неоднородные, частично расплавляемые припои, состоящие из легкоплавкой части припоя и твердого наполнителя, не плавящегося автономно при температуре пайки. Такие припои в соответствии с современной классификацией металлических материалов называют композици­онными.

Наполнитель композиционных припоев чаще всего представ­ляет собой порошок, перемешанный с порошком легкоплавкой части припоя. При пайке таким припоем сцепление частиц напол­нителя в шве и шва с паяемым металлом возникает в результате взаимодействия последнего с жидкой частью припоя и ее кристал­лизации, а также в результате спекания наполнителя между собой и с паяемым металлом. Ранее композиционный припой такого типа был условно назван металлокерамическим, а пайка металлокера­мической, так как при ней имеют место процессы спекания, анало­гичные процессам в порошковой металлургии [15].

В композиционных припоях другого вида наполнитель может состоять из проволоки, сетки, стержней, волокон. При этом легко­плавкая часть припоев может быть скомпонована с наполнителем путем равномерного их перемешивания, прессования, штамповки, спекания или иметь вид порошка из частиц наполнителя, предвари­тельно смоченных легкоплавкой составляющей припоя (армиро­ванные припои).

Припои, образующиеся при пайке. К этой группе относятся контактно-реактивные припои, получающиеся при контактно-реак­тивном плавлении паяемого материала с контактными проклад­ками или покрытиями или последних между собой; контактные твердогазовые припои, образующиеся в результате плавления паяемого металла, контактных прокладок или покрытий в парах металлов или неметаллов, находящихся в атмосфере печи; реак­тивно-флюсовые, образующиеся в результате вытеснения металлов из компонентов реактивных флюсов.

Контакт но-реактивные припои получают между паяемыми раз­нородными металлами или между паяемым металлом, проклад­ками, покрытиями, если они или их основы образуют эвтектики либо непрерывный ряд твердых растворов с минимальной темпера­турой плавления ниже температуры пайки (слоистые припои). Контактно-реактивное плавление металлов происходит через не - сплошности в их оксидных пленках и развивается только при достаточном содержании в эвтектике или твердом растворе каж­дого из контактирующих металлов.

Для слоистого контактно-реактивного припоя в виде фольги существенное значение имеет соотношение объемов контактирую­щих слоев, которое должно быть таким же, как в эвтектике (или в твердом растворе с минимальной температурой плавления), а расположение прослоек должно обеспечивать контакт реагирую­щих материалов. Если один из контактирующих элементов имеет повышенную упругость испарения, то его лучше помещать между прослойками других металлов, имеющих относительно меньшую упругость испарения в условиях пайки.

Использование хрупких припоев системы Ni—Сг—В в виде пластичной нихрбмовой фольги, насыщенной с поверхности бором, также обеспечивает достаточно высокую пластичность припоя при сборке.

Контактные твердогазовые припои получают в результате плав­ления соединяемых металлов, металлических прокладок, покры­тий, компактных кусков, отличающихся по составу от паяемого материала и взаимодействующих с парами элементов, с которыми они образуют эвтектики или твердые растворы с минимальной температурой плавления (ниже температуры пайки).

Реактивно-флюсовые припои образуются в результате восста­новления металлов из компонентов флюсов или диссоциации одно­го из них. Возможность восстановления металлов из флюсов опре­деляется термодинамическими условиями предпочтительного про­текания реакций, в результате которых свободная энергия системы изменяется на возможно большую величину.

Классификация припоев по величине температурного интер­вала их плавления. Способность припоев к растеканию и затека­нию в зазор улучшается с уменьшением их температурного интер­вала плавления. При пайке припоями с широким температурным интервалом плавления предварительная укладка их у зазора не всегда допустима из-за опасности втягивания легкоплавкой части припоя в зазор. При этом более тугоплавкая часть припоя образует у зазора «королек», не расплавляющийся при пайке. Вследствие этого свойства паяных соединений могут существенно отличаться от ожидаемых, а образование королька у зазора может приводить к ухудшению товарного вида и удорожать обработку после пайки. Припои с узким температурным интервалом плавления плохо удерживаются в сравнительно широких капиллярных зазорах, но лучше затекают в узкие зазоры. При пайке изделий с большой площадью спая или вертикальными зазорами с предварительной укладкой в них припоя лучше использовать припои с широким тем­пературным интервалом плавления, а при некапиллярных зазо­рах — композиционные.

Классификация припоев по основному компоненту. К числу металлических припоев, содержащих более 50 % одного из компо­нентов, относятся припои оловянные, кадмиевые, цинковые, маг­ниевые, алюминиевые, медные, кобальтовые, никелевые, марганце­вые, золотые, палладиевые, платиновые, титановые, железные, циркониевые, ниобиевые, молибденовые, ванадиевые и др. При близком содержании некоторых компонентов припои называют по этим основным компонентам, например, оловянно-свинцовые, медно-никелево-марганцевые и др. При содержании одного или нескольких легирующих компонентов, являющихся редкими или драгоценными металлами, припой иногда называют по этим ком­понентам, например, серебряный, золотой и др., хотя содержание их в припое может составлять несколько процентов.

Классификация припоев по способности к самофлюсованию. Существуют припои, которые могут выполнять также функции флюсов. Припои, обладающие свойствами самофлюсования, должны содержать легирующие элементы-раскислители с сильным химическим сродством к кислороду. Эти элементы должны способ­ствовать растекаемости и смачиваемости припоем паяемого метал­ла. Продукты раскисления, образующиеся при взаимодействии такого припоя с паяемым металлом, должны легко удаляться из шва, в частности, для этого температура плавления их должна быть ниже температуры пайки. К элементам-раскислителям отно­сятся литий, калий, натрий, фосфор, цезий, бор и др.

Припои, легированные этими элементами и способные к само­флюсованию в инертной газовой среде или на воздухе, называют самофлюсующими в отличие от остальных припоев, при пайке кото­рыми необходимы флюсы, вакуум или активные газовые среды.

Классификация припоев по способу изготовления и виду полу­фабриката. Многообразие паяных конструкций и способов пайки, конструкционных металлов и припоев с различными свойствами и необходимость их совместимости в производстве стимулиро­вали развитие различных способов изготовления полуфабрика­тов припоев. Старые традиционные припои в виде чушек (для пайки погружением в расплавленный припой), в виде зерен и ли­тых прутков при многих способах пайки и типах конструкций современных изделий оказались не всегда удобными. Перед пайкой для предварительной укладки у зазора или в зазор необходимы припои в виде листов, лент, фольги, проволоки. Однако вслед­ствие низкой пластичности многих припоев получение их в таком виде способами обработки давлением (прокатки, протяжки) не­возможно. Если компоненты таких припоев способны к образо­ванию эвтектики, то из них изготовляют путем прокатки много­слойную фольгу, а путем протяжки многослойную проволоку из пластичных составляющих припоя.

Припои в виде многослойных листов нашли применение в электронике и радиотехнике. В процессе изготовления таких листов припоев, хрупких в литом состоянии, целесообразно менее плас­тичные составляющие помещать между более пластичными со­ставляющими припоя, чтобы при прокатке края наружных листов сваривались, образуя герметичный пакет, предотвращающий выдавливание наружу внутренней хрупкой составляющей; обра­зующийся при прокатке между листами вакуум способствует прочному сращиванию слоев припоя.

Другой способ получения пластичных листов из составляю­щих хрупкого припоя заключается в том, что на пластичную фоль­гу одного из компонентов припоя, например никелевую фольгу, наносят смесь порошков остальных компонентов, например желе­за, бора, кремния, хрома и др., смешанных со связкой — метил - целлюлозой. Толщина слоя такой пасты, наносимой на фольгу никеля, составляет 20 % общей ее толщины. После сушки, про­катки с обжатием на ~33 % и сглаживания прокаткой, нагрева в восстановительной атмосфере при температуре 954 °С и про­катки до толщины 0,1 мм получают пластичную фольгу. При на­греве до температуры пайки и плавлении фольги получается при­пой Ni—Fe—Si—В—Сг (Пат. 34765228 США, МКИ3 кл. 29—182) требуемого состава.

Изготовление фольги из некоторых припоев, имеющих пони­женную пластичность в литом состоянии, например припои Си— Мп—Ni—Li, возможно прокаткой из жидкого состояния с после­дующей прокаткой полученных листов до требуемой толщины вхо­лодную, с промежуточными отжигами. Ленту малопластичных при­поев иногда получают распылением стальной стружки или про­каткой из порошка с последующим спеканием.

Получение листа припоя из жидкого состояния возможно не только прокаткой, но также путем нагрева до расплавления и сдавливания затвердевающих мелких капель припоя пуансоном.

При необычной форме соединяемых деталей или стесненном монтаже, например радиотехнических схем, при необходимости механизации и автоматизации процессов сборки и пайки, для снижения отходов припоя используют литые заготовки припоя тре­буемой формы. Такие заготовки представляют собой фасонные отливки в виде сеток, колец, пластин различной формы, которые получают, например, литьем в кокиль или по выплавляемым мо­делям.

Малопластичные припои можно применять в виде точеных ко­лец. При этом по наружной стороне разрезных колец припоя круг­лой или другой формы для уменьшения расхождения стыкуемых концов во время нагрева при пайке проводят обкатку роликом с пирамидальными выступами, что обеспечивает образование в заго­товке напряжений сжатия (по данным Д. Е. Фута).

Припои могут быть использованы в виде порошков. Примене­ние порошков припоев позволяет снизить трудоемкость и стои­мость их изготовления. Для многих порошковых припоев после их изготовления необходима активация поверхности частиц путем нагрева в атмосфере водорода или в вакууме ниже температуры их солидуса. Порошки припоев получают следующими способами: механическим измельчением (в том числе в шаровых мельницах с чугунными шарами); в вибрационных и вихревых мельницах; путем распыления (раздува) жидкого припоя в струе пара, воды или газа и т. п. Порошки припоев, полученные распылением в сре­де инертного газа, например аргона, имеют сферическую форму, не загрязняются нежелательными примесями и не имеют оксидных пленок на поверхности. Однако для конструкций многих типов применение припоев в виде порошков нетехнологично при сборке.

Для современного производства в связи с механизацией и автоматизацией процессов более удобны припои в виде паст, а так­же прессованных или формованных заготовок из смеси порошка припоя и связки. Пасты обычно представляют собой тонкие смеси (10—100 мкм) металлических компонентов в виде порошков и свя­зующих нейтральных веществ (связок), испаряющихся при пайке. Для нанесения паст применяют пневматические дозирующие устройства, иногда с электрическими системами управления, в том числе реле времени, встроенным в автомат [50].

Применение паст облегчает внесение припоя при сборке, по­зволяет точно дозировать состав и количество припоя, количе­ство флюса, а при хороших адгезионных свойствах пасты обеспе­чивать фиксацию деталей без сборочных приспособлений. Приме­нение паст обеспечивает также полное улетучивание материала связки, исключает высыхание и изменение химического состава смеси при длительном хранении.

Из порошков изготовляют и прессованные заготовки. Обычно такие заготовки, имеющие внешнюю форму, подогнанную к кон­туру сопряженных паяемых поверхностей, укладывают предвари­тельно в зазор между деталями. Для обеспечения высокой чисто­ты поверхности такие заготовки получают горячим прессованием, после чего на них наносят плотный слой пластмассового покры­тия и упаковывают в защитные чехлы. Температурный интервал плавления таких припоев (по В. Вуиху) не должен превышать 85 °С во избежание ликвации припоя при медленном нагреве.

По данным Г. А. Асиновской, для изготовления таблеток и за­кладных деталей не пригодны порошки со сферической формой частиц. Для этого необходимы порошки с частицами неправиль­ной формы, получаемые при распылении струи жидких припоев струей воды.

В качестве связки при изготовлении паст из порошков могут быть использованы многие вещества, испаряемые при нагреве без остатка: вода и ее смеси с флюсом ПВ 209; акриловая смола, рас­творенная в растворителе Р-5; полистирол, растворенный в лету­чем растворителе — ксилоле или лигроине (нафте). При этом 20—25 % связки составляют гранулы полистирола. В готовую связку вводят чистый порошок припоя, например меди, размерами частиц не крупнее 200 мкм. Перед пайкой необходима сушка дета­ли с нанесенной пастой в течение 15—20 мин. Однако такая связка может загораться. По данным Л. А. Гржимальского и Ю. Ф. Си - дохина, в качестве связки можно использовать раствор лака в аце­тоне. При пайке до температуры 1150 °С возможна диффузия угле­рода из связки в паяемый металл.

В качестве связки при изготовлении формованных заготовок припоя в виде кольца из порошка хрупкого припоя используют боросиликатное неорганическое стекло с добавками флюсующего вещества.

Для облегчения работы шприцевых дозирующих устройств, на­носящих пасту из высокоплавких припоев, применена связка, имеющая состав (об. %): 85—91 полибутилена; 3—5 соединений из группы полиметилэфира этиленгликоля и просто этиленгликоля; 5—10 воды; 0,5—1,0 твердой акриловой смолы из низших сополи­меров эфиров акриловой и метакриловой кислот (Пат. 3475442 США, МКИ 3 кл. 260—296).

В некоторых случаях необходимо применять неэлектропровод­ный порошок припоя. Подобный порошок из меди и оловянно­свинцовых припоев может быть изготовлен в виде частиц диамет­ром 5—500 мкм путем покрытия их слоем диэлектрического орга­нического флюса с температурой плавления ниже температуры плавления припоя, образующего сплошные электроизоляционные покрытия, адгезионно удерживающие частицы припоя на паяе­мой поверхности. Для этой цели наиболее пригодны полимерные органические флюсы, например канифоль.

В 80-х годах была разработана новая технология получения фольги из хрупких припоев путем быстрого охлаждения их из жид­кого состояния со скоростью ~106 °С/с. Такие условия охлажде­ния достигаются:

1) распылением жидкого припоя на водоохлаждаемый ба­рабан;

2) подачей струи припоя в зазор площадью 5—70 мм2 между валками, вращающимися со скоростью ^0,2 м/с, с последующей обработкой фольги в нейтральной или восстановительной среде при температуре 300—500 °С;

3) подачей струи припоя на один или два медных валка, вра­щающихся со скоростью ^0,2 м/с (толщина фольги 15—70 мкм).

Такие фольги припоев достаточно пластичны и складываются «на себя» с нулевым радиусом без излома; в структуре припоя в аморфном (стеклообразном) состоянии может находиться 100— 50 % металла. Расстекловывание и переход в хрупкое состояние происходит при достаточно высокой его температуре (~0,5/Пл) и не влияет на температурный интервал плавления припоя. При этом фольга остается химически гомогенцой и плавится равно­мерно. Таким способом в США была получена лента фольги припо­ев системы Ni—Сг—В—С, которая предназначалась для бесфлю - совой пайки в сухом водороде, инертном газе или вакууме при за­зоре шириной 0,100 мм и была применена для пайки лопаток с обо­дом (Пат. 4250223 США МКИ3 кл. 428/606 В 22 Г 5/00).

В табл. 1 приведены данные о пластичных фольгах припоев на основе меди и никеля.

Припои BCuPl—BCuP7, № 4—7 получают в виде фольги путем сверхбыстрого охлаждения.

Эти материалы имеют формулу TtXjt где Т — переходной ме­талл, а X — элемент из группы Р, В, С, Al, Si, Sn, Gl, In, Be, As;

Таблица 1. Пластичные фольги из хрупких медных припоев для пайки меди и ее сплавов (Пат. 1206282 ВНР, МКИ 3 кл. 49 h 35/14) Марка или Состав припоя Температура, °С Структура номер припоя (остальное Си), % плавления пайки 1 10—30 Ni, 15—20 Р 670—820 _ Аморфная 2 4—ЮР — — Кристаллическая 3 4,5—5,5 Р, 14,5—15,5 Ag — — Мелкодисперсная В СиР-1 5 Р 710—924 788—927 Аморфная В СиР-2 7,2 Р 710—793 732—843 То же (не менее 50%) В СиР-3 6 Р, 5 Ag 643—813 712—816 То же В СиР-4 7,2 Р, 6 Ag 643—718 691—788 » В СиР-5 5 Р, 15 Ag 643—802 704—816 » В СиР-6 7 Р, 2 Ag 643—788 732—816 » В СиР-7 6,7 Р — 5 Ag 643—771 704—816 » 4 15 Р, 10 Ni* 632—677 — » 5 18 Р, 10 Ni* 632—690 — » 6 20 Р, 20 Ni * 629—814 — » 7 18 Р, 30 Ni * — — » 8 8 Si — — Аморфная 9 * 9,6 Ni, 9,7 Sn, 7 Si 595—635 _ 10* 9,9 Ni, 4 Sn, 7,8 Si 610—645 — » 11 * 5,7 Ni, 9,7 Sn, 7 Si 591—637 — » * Атомная доля, %.

t — атомная доля элемента 70—87 %; / — атомная доля эле­мента 13—30 %. Все эти материалы ранее изготовляли в виде порошков.

Припой № 8 получен в стеклообразном состоянии при кон­денсации из паров.

Временное сопротивление разрыву соединений из меди, пая­ных встык припоем № 5 в виде фольги, толщиной 0,002—0,004 мм в печи (в диссоциированном аммиаке) при температуре 732 °С, составляет 158,5 МПа (временное сопротивление припоя

52,8 МПа). Перед пайкой припой укладывают в сборочный зазор.

Скорость охлаждения припоев при изготовлении должна быть весьма большой. Для припоев системы Ni—Сг—Fe—Si—В ско­рость охлаждения ~5,5-105оС/с (105—106 оС/с).

Припои, не содержащие Si и В, применяют для пайки вход­ных направляющих аппаратов, готовых панелей и колец с гото­вым уплотнением [31] из стали, легированной кремнием и алюми­нием. Припои системы Ni—Si по смачиваемости никелевых спла­вов превосходят припои системы Ni—Р—Сг. Такого типа припои без бора выгоднее для пайки тонкостенных изделий.

Припои на никелевой основе систем Ni— Сг—Fe—Si—Со—В; Ni—Сг—Si—Fe—В; Ni—Si—В; Ni—Р; Ni—Сг—Fe—Мо—Со—В; Ni—Сг—В при подаче их в виде струи на быстровращающийся валок получают в виде фольги толщиной 25—60 мкм (Пат. 4314661 США, МКИ 3 В 23 К 35 8/30).

Никелевые хрупкие припои в виде пластичной фольги со сме­шанной структурой, состоящей из смеси метастабильной фазы с аморфной структурой, получаемой при закалке со скоростью ох­лаждения 105—10б °С/с, могут быть борированы путем нанесения на них амина борана при температуре 70 °С. Атомная доля обра­зующихся в фольге боридов составляет 2—25 %. Бориды Ni, Fe. Со распадаются при температуре пайки и не препятствуют отведе­нию бора в основной металл — литейный никелевый жаропрочный сплав. Обычно нанесение бора не рекомендуют из-за образования весьма стабильных боридов W, Мо, Та, Al, Ті, Nb, не распадаю­щихся при температуре пайки (Пат. 4160854 США, МКИ3 кл. 428/607 Г 16 В 5/08).