При выборе припоя нужно руководствоваться следующими принципами:
1) температура плавления паяемых деталей должна быть выше, чем температура плавления припоя,
2) должна обеспечиваться хорошая смачиваемость основного материала,
3) значения коэффициентов температурного расширения основного материала и припоя также должны быть близки,
4) наименьшая токсичность припоя,
5) припой не должен ухудшать механические свойства основного материала и образовывать с ним гальваническую пару, приводящую к интенсивной коррозии в процессе эксплуатации,
6) свойства припоя должны соответствовать технико-эксплуатационным требованиям, предъявляемым к конструкции в целом (прочность, электропроводность, коррозионностойкость, хладостойкость и др.),
7) припои с ограниченным интервалом кристаллизации требовательны к качеству подготовки поверхностей к пайке и обеспечению точного капиллярного зазора, при больших зазорах лучше применять композиционные припои,
8) для проведения вакуумной пайки и пайки в среде защитных газов наиболее подходящими являются самофлюсующиеся припои, без содержания цинка и других металлов с высокой упругостью паров,
9) для пайки неметаллических деталей используют припои с добавками элементов, обладающих наибольшим химическим сродством (для керамики и стекла — с цирконием, гафнием, индием, титаном).
Припои классифицируют по нескольким признакам:
1. По температуре плавления:
а) низкотемпературные (Тпл до 450 град., на основе галлия, индия, олова, висмута, цинка, свинца и кадмия): особолегкоплавкие (Тпл до 145 градусов), легкоплавкие (Тпл=145...450 град.);
б) высокотемпературные (Тпл более 450 град., на основе меди, алюминия, никеля, серебра, железа, кобальта, титана): среднеплавкие (Тпл=450...1100 град.), высокоплавкие (Тпл=1100...1850 град.), тугоплавкие (Тпл более 1850 град.).
2. По типу расплавления: полностью и не полностью расплавляемые (композиционные, из твердого наполнителя и легкоплавкой части).
3. По способу получения припоя — готовые и образуемые в процессе пайки (контактно-реактивная пайка). При контактно-реактивной пайке припой получается в результате расплавления основного металла, прокладок (фольги), покрытий или вытеснения металла из флюса.
4. По основному химическому элементу в составе припоя (содержание более 50%): индиевые, галлиевые, оловянные, магниевые, цинковые, алюминиевые, медные, серебряные, золотые, никелевые, кобальтовые, железные, марганцевые, палладиевые, титановые, ниобиевые, циркониевые, ванадиевые, смешанные припои из двух элементов.
5. По способу образования флюса: флюсуемые и самофлюсующие, содержащие литий, бор, калий, кремний, натрий. Флюс служит для удаления окислов и защиты кромок от окисления.
6. По технологии изготовления припоя: прессованные, тянутые, штампованные, катанные, литые, спеченные, аморфные, измельченные.
7. По виду припоя: прутковые, проволочные, трубчатые, ленточные, листовые, композитные, порошковые, пастообразные, таблетированные, в виде закладных деталей.
Среди низкотемпературных припоев наибольшее распространение получили оловянно-свинцовые припои (Тпл=183 град. при содержании олова 60%). Содержание олова может колебаться в пределах 30...60%, Тпл=145...400 град., при большем содержании этого элемента температура плавления снижается, увеличивается жидкотекучесть сплавов.
Так как сплав олова и свинца склонен к рассыпанию и плохо взаимодействует с металлами при пайке, то в состав этих припоев вводят легирующие добавки цинка, алюминия, серебра, кадмия, сурьмы, меди.
Соединения кадмия улучшают свойства припоев, однако обладают повышенной токсичностью. Припои с повышенным содержанием цинка применяют для пайки цветных металлов — меди, алюминия, латуни и цинковых сплавов. Оловянные припои обладают теплостойкостью до температуры около 100 град., свинцовые — до 200 град. Свинец также быстро корродирует в условиях тропического климата.
Наиболее легкоплавкими припоями являются составы, содержащие галлий (Тпл=29 град.). Оловянно-галиевый припой имеет Тпл=20 град.
Висмутовые припои имеют Тпл=46...167 град. Такие припои при затвердевании увеличивают свой объем.
Температура плавления индия - 155 град. Индиевые припои используют при пайке материалов с разными температурными коэффициентами расширения (например, коррозионно-стойкая сталь с кварцевым стеклом), так как он имеет свойство высокой пластичности. Индий обладает стойкостью к окислению, коррозионной стойкостью к щелочам, хорошей электро- и теплопроводностью и смачиваемостью.
Среди высокотемпературных припоев наиболее легкоплавкими являются составы на основе меди. Медные припои находят применение при пайке стали и чугуна, никеля и его сплавов, а также при вакуумной пайке. Медно-фосфорные припои (содержание фосфора до 7%) применяют для пайки меди как альтернатива серебряным припоям.
Более высокой пластичностью обладают медные припои с добавками серебра и марганца. С целью повышения механических свойств вводят также добавки никеля, цинка, кобальта, железа, щелочных металлов, бора и кремния.
Медно-цинковые припои более тугоплавки (Тпл более 900 град. при количестве цинка до 39%), применяются для пайки углеродистых сталей и разнородных материалов. Потери цинка в виде испарений изменяют свойства припоя и вредны для здоровья, как и пары кадмия. Для снижения этого эффекта в припой вводят кремний.
Медно-никелевые припои подходят для пайки деталей из коррозионно-стойких сталей. Никелевая составляющая повышает Тпл. Для ее снижения в припой вводят кремний, бор, марганец.
Серебряные припои изготавливают в виде системы «медь-серебро» (Тпл=600...860 град.). Серебряные припои содержат в своем составе добавки, снижающие Тпл (олово, кадмий, цинк), и повышающие прочность соединения (марганец и никель). Серебряные припои являются универсальными и применяются для пайки металлов и неметаллов.
При пайке жаропрочных сталей применяют никелевые припои системы «никель-марганец». Помимо марганца такие припои содержат и другие добавки, повышающие жаропрочность: цирконий, ниобий, гафний, вольфрам, кобальт, ванадий, кремний и бор.
Пайку алюминия производят алюминиевыми припоями с добавлением меди, цинка, серебра и кремния, снижающих Тпл. Последний элемент образует с алюминием наиболее коррозионно-стойкую систему.
Пайку тугоплавких металлов (молибден, ниобий, тантал, ванадий) осуществляют чистыми или композиционными припоями с высокой Тпл на основе циркония, титана и ванадия. Пайку вольфрама производят сложными припоями систем «титан-ванадий-ниобий», «титан-цирконий-ниобий» и другими.
Свойства припоев и их химсостав указаны в таблицах 1-6.
Таблица 1. Особолегкоплавкие припои
Таблица 2. Свойства некоторых легкоплавких припоев
Таблица 3. Свойства припоев на основе олова с добавлением серебра/меди
Таблица 4 (часть1) Свойства припоев на основе олова и свинца
Таблица 5. Свойства припоев на основе индия, свинца или олова с добавками серебра
Бессвинцовые технологии пайки: припои SAC и электропроводящие клеи