Физические и химические свойства паяных соединений обусловле­ны прежде всего местом, занимаемым основой и компонентами при­поя в периодической системе элементов^ принцип построении ко­торой состоит в том, что свойства элементов определяются поло­жением их в таблице, а свойства сочетаний элементов (сплавов)— нх взаимным расположением.

На рис. 30 представлен один из вариантов периодической си­стемы элементов, в котором элементы-аналоги размещаются по вер­тикали и различаются строением внешней электронной оболочки.

Относительная способность элементов к пластической деформа­ции, их тепло - и электропроводность, а следовательно, и степень их металличности увеличиваются с увеличением порядкового номе­ра элемента в каждой группе (по вертикали) периодической си­стемы.

Наибольшая металличность наблюдается у элементов группы

меди, низкая — у марганца и, возможно, его аналогов. На рис. 30 для каждого элемента в числителе приведена его температура плав­лення, К, в знаменателе—его содержание в земной коре, »/*.

Получение требуемых эксплуатационных свойств паяемых сое­динений возможно только при правильном выборе системы леги­рования припоя- для введения в него элементов, обеспечивающих его физико-химическую совместимость с паяемым материалом. В пе­риодической системе существуют отдельные. группы элементов s, ds, sd, ps, характеризующиеся общностью свойств.

Щелочные металлы s-группы (Li, Na, К, Rfe, Cs) сравнительно легкоплавки; будучи введены в припои, они могут сообщать им свойства самофлюсуемости; эти металлы легко окисляются; их хлориды, фториды, бромиды, подиды входят в паяльные флюсы. Рубидий и цезий обладают высоким селективным фотоэлектриче-

ским эффектом — испускают электроны под действием света. Метал­лические рубидий и цезий могут работать в вакууме как геттеры [64].

В tfs-групне щелочноземельных металлов бериллий обладает особыми свойствами; малой величиной захвата тепловых нейтронов и относительно высоким эффектом’' рассеяния, высокой проницае­мостью рентгеновских лучей (в 17 раз выше, чем алюминии), хоро­
шим распространением звука (в 2,5 раза выше, чем сталь), малой плотностью, высокими удельной жесткостью, хладноломкостью и прочностью. Бериллий стоек в воде и расплавленной щелочи, имеет высокую упругость н коррозионную стойкость (как у титана).

Бериллий как легирующий элемент способствует старению сплавов меди, сопровождающемуся упрочнением, повышает тепло­проводность, обеспечивает устойчивость против усталости н ударных нагрузок, хладостойкость, электропроводность, высокую коррозион­ную стойкость, близкую к коррозионной стойкости нержавеющей стали, высокую прочность и упругость, аналогичную для высоко­прочных легированных сталей.

В сплавах алюминия бериллий резко повышает механические свойства, жаропрочность, жидкотекучесть, измельчает зерно, резко уменьшает закаляемость окисляемость алюминиевых н магниевых сплавов.

В сталях бериллий сохраняет компенсирующие термоупругне свойства, обеспечивает малый нли нулевой КЛР, хорошую устой­чивость против коррозии.

К благородным металлам ds-группы относятся золото, серебро и металлы платиновой группы — платина, палладий, иридий, осмий, рубидий, рутений. Платина, золото и серебро имеют малую твер­дость и высокую пластичность, а также электропроводность (боль­ше, чем у меди). Все благородные металлы немагнитны. Особен­ность платины состоит в том, что ее КТР близок к КТР стекла и фарфора. Палладий более химически активен, чем платина. Элек­тросопротивление благородных металлов убывает в следующем по­рядке: Pt-»-Pd-»-Ir-»-Rh-»-Au—>-Ag.

Все благородные металлы, кроме рения, весьма устойчивы в серной, соляной, фосфорной, фтористой и уксусной кислотах [65].

Среди sd-элементов металлы группы цинка (кадмий, ртуть) характеризуются высокими значениями давления насыщенного пара, возрастающими вместе с ростом легкоплавкости н атомной массы. Цинк относительно малопластичен, ps-металлы группы алюминия (галлий, индий, таллий) имеют высокую пластичность, низкую тем­пературу плавления, малую прочность. От галлия к таллню, тем­пература плавления повышается, а температура кипения понижа­ется. Все эти металлы имеют сравнительно малую теплоту образо­вания окислов.

Индий и таллий обладают высокой стойкостью в щелочах; индий не тускнеет на воздухе, по галлий и таллий на воздухе быст­ро окисляются с образованием слоя окислов (Ga2Os и ТЬО), за­медляющих дальнейшее окисление этих металлов. Индий также относительно стоек во фтористой кислоте при 20 °С, а таллий — в соляной кислоте.

Галлий и таллий хорошо смачивают металлы и неметаллы — кварц (>1150°С), алунд (>1000°С), графит (>800СС), стекло пирекс (>500 °С).

Все эти металлы вследствие их легкоплавкости и особенностей свойств нашли применение в качестве компонентов припоев.

Возрастание металличностн в Каждой группе периодической системы по мере увеличения атомной массы элементов обусловли­вает существование среди элементов на границе металлов и неме­таллов таких,. одна из модификаций которых имеет характерные свойства металлов, а другая — неметаллов (олово и висмут). По­добный полиморфизм у олова наблюдается с изменением темпе­
ратуры и (или) давления. Белое р-олово (металлическая модифи­кация имеет плотность 7,28 гс/м3) переходит в серое а-олово (плот­ность 5,82 г/см3) при температурах ниже 13,2 °С. Это превращение сопровождается большим изменением объема металла, что вызывает его разрушение Н превращение в серый порошок («оловянная чу­ма»); скорость p-нг-превращения при 13,2 °С очень мала и дости­гает максимума лишь при —3(Н—50°С, а с дальнейшим понижением температуры снова уменьшается.

В олове р—а-превращению способствуют зародыши серого олова, напряженное состояние в олове, повторные нагревы и охлаж­дения, а также легирование олова алюминием, цинком, германием, медью, железом, кобальтом, марганцем, магнием. Это превращение задерживается при введении в олово висмута, сурьмы, свинца, кад­мия, серебра, индия, золота и никеля. При содержании в олове 0,3—0,5% Bi, или 0,5% Sb, или 1% РЬ р-их-превращение при низ­ких температурах становится невозможным. Поэтому для пайки де­талей, работающих при пониженных температурах, применяют не чистое олово, а его технические марки.

При 20°С висмут почти диэлектрик с ромбической структурой. Полиморфизм висмута при '20°С проявляется только при повышении давления. Превращение Віі->-Віп с моноклинной структурой происхо­дит при давлении 2,5 ГПа, превращение Він-*-Віт со структурой

г. п. у. происходит при 2,7 ГПа, превращение Biin-»-Biiv со струк­турой о. ц. к. имеет место при 4 ГПа, а превращение Biiv-»Biv со структурой о. ц. к.— при 7,75 ГПа. Все модификации висмута обла­дают высокими значениями электросопротивления, плотности, модуля упругости и коэффициента Пауссона. Висмут из неметаллического переходит в металлическое состояние. При давлении —100 кПа вис­мут обладает сверхпроводимостью (Гк=6KJ, при затвердевании он расширяется.

Другим легкоплавким металлом, расположенным вблизи гра­ницы с областью неметаллов и имеющим полиморфное превращение (при 300°С и давлении—16 ГПа), является свинец. Важнейшие особенности свинца следующие: отсутствие хладноломкости, повы­шение прочности и пластичности с понижением температуры, низ­кая температура рекристаллизации (ниже комнатной), что приво­дит к невозможности упрочнения его наклепом, пониженная кор­розионная стойкость.

Важным параметром припоев и их компонентов является сте­пень упругости испарения. Очень высокой упругостью испарения среди металлов обладают, кроме цинка, кадмия и ртути, также марганец, магний и литий, а среди неметаллов — мышьяк н сурьма. Неметаллы бор, углерод, кремний, фосфор, сера, германий, мышьяк, сурьма — важнейшие депрессанты припоев, а неметаллы фтор, хлор, бром, иод — основные составляющие компонентов паяльных флюсов.

Ниже приведены важнейшие физические и химические свойства элементов [64—66], введение которых позволяет во многих случаях обеспечить специфические свойства припоев:

Свойство

Особая легкоплавкость Хорошая смачиваемость, в том числе не металлов

Свойство

Повышенная тугоплавкость и прочность

Расширение при затвердевании Высокая упругость испарения при давле­нии -—100 кПа и низком вакууме Особо высокая пластичность Особо высокая износостойкость Малая разница КТР металла со стеклом, керамикой, фарфором Высокая теплопроводность Сверхпроводимость Стойкость:

в кислотах НС1, H2S04, Н3РО4 уксусной и ледяной при давлении ~ 100 кПа в щелочи в парах ртути

Высокие фотоэлектрические свойства Хорошее распространение звука Хорошая проницаемость рентгеновских лучей

Малая величина захвата тепловых ней­тронов

Высокий эффект рассеяния электронов Высокая отражательная способность Геттерные

Неокисляемость при высоких температу­рах