Все металлы и сплавы можно паять, если применять надлежа­щий способ пайки. Некоторые металлы и сплавы имеют свои ме­таллургические особенности, требующие применения специальных процессов для получения паяных соединений удовлетворительного качества.

Ниже вкратце описаны некоторые металлургические явления, наблюдающиеся в процессе пайки.

Водородная хрупкость. Водород имеет способность очень быстро диффундировать в кристаллическую решетку многих металлов вследствие того, что его атомы малы. При повышении температуры скорость диффузии возрастает. При диффузии водо­рода в металл, который не полностью раскислен (содержит кисло­род), может происходить восстановление окислов, если температура достаточно высока. Конечным продуктом этой реакции являются металлическая губка и водяной пар.

Так как размер молекул паров воды слишком велик, то диффу­зия их в поверхность металла, подобно диффузии водорода, про­изойти не может. Вследствие этого внутри металла развивает­ся давление, которое для вязкой медной сердцевины состав­ляет 63 кг/мм2. Это чрезвычайно высокое давление буквально разрывает металл с образованием большого количества маленьких трещин или раковин, главным образом по границам зерен, что при­водит к резкому снижению прочностных характеристик металла.

Электролитическая вязкая медь, серебро и палладий при нали­чии в них кислорода подвергаются водородному охрупчиванию, если их нагревать в присутствии водорода. Следовательно, чтобы спаять вязкую медь без охрупчивания, атмосфера, в которой проис­ходит нагрев, не должна содержать водорода. Поэтому для дета­лей, выполняемых пайкой, хорошо применять раскисленную или бескислородную медь. Бескислородная медь может окисляться и подвергаться водородному охрупчиванию в том случае, когда при­меняется неправильный режим нагрева. Практически медь, обла­дающую водородной хрупкостью, невозможно восстановить до нор­мального состояния.

Стали также подвергаются водородному охрупчиванию, но дру­гим путем. Водород диффундирует в сталь так же, как и в медь, но он имеет тенденцию скапливаться в небольших пустотах, которые образуются вокруг неметаллических включений и по границам зе­рен. При этом не образуются водяные пары, как в меди, но иногда развивается высокое давление, так как водород диффундирует в форме атомов, которые при взаимодействии в металле превра­щаются в молекулы, имеющие меньшую подвижность и создающие по мере накопления определенное давление.

Сталь, подвергшаяся водородному охрупчиванию, имеет низкую вязкость. Однако механические свойства такой стали и содержа­щих железо сплавов можно восстановить, если заставить водород диффундировать наружу при длительном нагреве стали в печи только до температур 80—ШО3 или, если хранить сталь долгое вре­мя до восстановления вязкости.

К счастью, большинство других металлов и сплавов, окислы ко­торых можно восстановить при помощи водорода, содержат в себе избыток раскисляющих элементов и не подвергаются водородному охрупчиванию.

Выделение карбидов. Некоторые нержавеющие стали и другие сплавы, содержащие хром и углерод, способны образо­вать и выделять карбиды при нагреве до температуры 480—700°. Выделение карбидов происходит вследствие того, что углерод реа­гирует предпочтительно с хромом с образованием карбидов, которые обычно отлагаются по границам зерен. Образование карбидов при­водит к уменьшению в сплаве количества хрома, поэтому материал, непосредственно примыкающий к частицам карбида, имеет значи­тельно худшую коррозионную стойкость, чем первоначальный сплав. В соответствующих коррозионных средах механические свойства такого сплава могут понижаться с образованием малого или неза­метного очага коррозии.

Выделившиеся карбиды могут снова раствориться в сплаве при нагреве до 1000—1130° и последующем быстром охлаждении. Одна­ко эта термообработка не является пригодной для паяных узлов.

Другой стабилизирующей термообработкой, при которой невы- делившиеся хромовые образования разгоняются (диспергируются) по всему объему, является нагрев до 870° в течение 2 час., затем охлаждение в печи до 540° и последующее охлаждение на воз­духе.

При быстром процессе пайки в нержавеющих сталях нормально­го типа выделяется очень незначительное количество карбидов. В тех случаях, когда быстрый нагрев невозможен, а паяные соеди­нения из нержавеющей стали должны работать в условиях корро­зии, следует применять одну из стабильных сталей, таких, как 347 или 321 [3].

Растрескивание под напряжением. Многие вы­сокопрочные материалы, например нержавеющая сталь, никелевые

и медноникелевые сплавы, имеют тенденцию растрескиваться во время пайки, если они находятся в напряженном состоянии и в контакте с жидким припоем. Материалы с высокой температурой[4] отжига, и в особенности те, которые подвергаются старению, также имеют указанную тенденцию к растрескиванию под нагрузкой. Растрескивание возникает почти мгновенно в процессе пайки и трещина хорошо видна до тех пор, пока расплавленный припой не войдет в нее и полностью не заполнит ее *.

Этот процесс можно рассматривать как коррозионное растрес­кивание под напряжением, если расплавленный припой считать кор­розионной средой. Сталь, находящаяся в напряженном состоянии и помещенная в каустический раствор, или находящаяся под напря­жением латунь, помещенная в раствор аммиака, могут служить- примером коррозионного растрескивания. Напряжения, вызываю­щие растрескивание, могут возникать при неправильном охлажде­нии деталей после термообработки до пайки, или при механическом или термическом нагружении деталей в процессе пайки.

Причину возникшего растрескивания под напряжением можнсг обычно установить путем критического анализа процесса пайки. Принимают все меры к устранению источника, вызывающего напря­жения в детали во время пайки.

Растрескивание под напряжением можно устранить:

а) применением для пайки отожженного материала вместо за­каленного;

б) отжигом механически обработанных деталей перед пайкой;

в) удалением источников, вызывающих внутренние напряжения в паяемом изделии, таких как неправильная сборка деталей, при­способления, которые оказывают давление на детали, или незакреп­ленные висящие детали (см. гл. 8);

г) переконструированием соединения или деталей (см. гл. 6);

д) нагревом с меньшей скоростью. Массивные детали нужно- нагревать настолько быстро, чтобы термические напряжения в них не возникали;

е) нагревом собранных и профлюсованных деталей горелкой до­достаточно высокой температуры для снижения имеющихся напря­жений с последующим охлаждением деталей до температуры пайки, и присаживанием припоя вручную;

ж) выбором припоев, не вызывающих хрупкие разрушения ме­таллов в процессе пайки (см. гл. 3).

На фиг. 12 показаны трещины на фланце, изготовленном глубо­кой вытяжкой из К монеля, возникшие при припаивании к нему се­ребряным припоем BAg штырей из меди. Трещины хорошо видны, так как их контуры имеют цвет серебряного припоя. Трещины рас­пространяются от паяного шва в основной металл.

Сернистая хрупкость. Никель и другие сплавы, в со­став которых входит большое количество никеля, при нагреве в при­сутствии серы или компонентов с содержанием серы становятся хрупкими. Это вызывается образованием легкоплавкого сульфида никеля, который располагается преимущественно по границам зерен и, будучи хрупким, растрескивается под действием прило­женных нагрузок. Материал, обладающий, сернистой хрупкостью, непригоден для применения и восстановлению не поддается.

Добавка хрома к никелю и медноникелевым сплавам уменьшает их склонность к охрупчиванию. При пайке особенно важно, чтобы

сплавы, в которых основным элементом является никель, были бы перед нагревом очищены от веществ, содер­жащих серу, таких, как нефть, смазка, краска, мело­вые пометки и охлаждаю­щие. жидкости. Нагрев ни­келевых и медноникелевых сплавов нужно производить в атмосфере, свободной от сернистых примесей.

Фосфористая хруп­кость. Фосфор образует со многими элементами хруп­кие компоненты, называе­мые фосфидами. Припои с содержанием фосфора нельзя при­менять для пайки железа и сплавов на основе никеля или для сплавов, содержащих более 5% любого из этих элемен­тов.

Давление испарения. Особое внимание следует уделять выбору припоев для пайки деталей, работающих в вакууме. Это условие в особенности относится к электронным трубкам большого размера, к ускорителям частиц материи и вакуумным печам. Во всех этих и аналогичных установках высокий вакуум или обеспечи­вает их надлежащую работу, или требуется предварительно до создания необходимой газовой атмосферы.

Любые элементы, которые при любой температуре процесса выделяют нежелательные газы или пары, портят вакуум и рано или поздно выводят установку из строя.

В табл. 1 указаны температура плавления и давление испаре­ния при различных температурах некоторых элементов, входящих в состав припоя и основного металла. Для пайки вакуумных труб цинк и кадмий в качестве элементов припоя применять нельзя.

Устойчивость окислов металлов. Окислы, образо­ванные на поверхности большинства металлов и сплавов, легко удаляются при применении соответствующего флюса или восстанав­ливаются в восстановительной атмосфере. Окислы хрома, алюми­ния, титана, кремния, магния, марганца и бериллия удаляются

труднее, поэтому сплавы с содержанием этих элементов обычно тре­буют специальной обработки для удаления окислов.

Окислы хрома легко удаляются флюсами с содержанием фтори­дов, не восстанавливаются водородом, если водородная атмосфера не очень сухая (точка росы около —60°) и восстанавливаются только при высокой температуре порядка 1090°.

Окислы алюминия, титана, кремния, магния, марганца и берил­лия также удаляются специальными флюсами, но не восстанавли­ваются в атмосфере водорода при обычной технике пайки (см. гл. 4). Поэтому при пайке материалов, содержащих достаточное количество этих элементов, необходимо применять специальные флюсы.

Зона теплового воздействия. Нагрев, осуществляе­мый при пайке, оказывает влияние на свойства основного металла.

Основной металл, механические качества которого получены в ре­зультате закалки, может сделаться менее твердым и более крупно­зернистым, если температура пайки выше температуры его отт жига. Термически обработанные материалы после нагрева их в процессе пайки изменяют свои механические свойства. Материалы в отожженном состоянии очень незначительно изменяют свои свой­ства при пайке.

Зона, на которую распространяется термическое влияние при пайке, в большой степени зависит от применяемого способа нагре­ва. При пайке горелкой, индукционным методом или путем погру­жения образуется некоторая зона теплового влияния. При пайке в печи нагреву подвергается материал всей паяемой детали. В основном зона термического влияния при пайке шире и имеет менее отчетливую границу, чем при любом процессе сварки.

Термообработка после пайки. Часто желательно производить термообработку спаянного узла для улучшения меха­нических свойств основного материала. Для черных сплавов это осуществляется путем закалки с повышенных температур с после­дующим отпуском при более низкой температуре. Для других спла­вов, таких, как меднобериллиевый сплав, дураникель, К монель, инконель X и нержавеющая сталь 17-7РН (сталь СН-2), термообра­ботка заключается в нагреве до средних температур с последующим регулируемым охлаждением. Когда металл подвергают пайке с по­следующей термообработкой, то важно, чтобы применяемый припой образовал достаточно прочное паяное соединение, которое не могло бы разрушиться при перемещении деталей для тер­мообработки.

Сплавление и диффузия. Соединение между припоем и основным металлом в процессе пайки происходит путем сплавле­ния или диффузии. Обычно такое сплавление является поверхност­ным эффектом и распространяется вглубь соединяемых поверхно­стей на несколько тысячных долей миллиметра. Однако в некото­рых случаях сплавление и диффузия происходят на большую» глубину, что требует применения специальных способов пайки.

При пайке в печи медь очень легко сплавляется с никелем, мо­нелем и медноникелевыми сплавами. В этом случае расплавленная медь не растекается на большую площадь, так как сплавление основного металла с медью повышает температуру плавле­ния образовавшегося сплава, что приостанавливает его расте­кание.

Некоторые припои, например на основе алюминия и магния, сплавляются и диффундируют полностью через тонкий алюминие­вый лист, если он находится при температуре пайки дольше, чем это необходимо. При такой чрезмерной диффузии паяное соедине­ние не будет прочным и пластичным.

Излишний жидкий припой, который растекается под действием силы тяжести по тонким элементам паяемых изделий, может обра­зовать раковины в таких элементах в процессе диффузии и сплав­ления с основным металлом.

Пайка золота при производстве ювелирных изделий производит­ся очень быстро, чтобы припой не диффундировал в золото и не вызывал его обесцвечивания и образования пятен.

В случае чрезмерной диффузии и сплавления необходимо про­изводить пайку за наиболее короткое время и при наиболее низкой температуре, насколько это возможно. Припой нужно применять и количестве, достаточном для заполнения соединительного зазо­ра полностью. Излишнее количество припоя нежелательно и не­экономично.