«Пайка конструкционных материалов»
Пайка, как и сварка, предназначена для неразъемных соединений заготовок. Особенность пайки состоит в применении припоя, имеющего температуру плавления ниже температуры плавления материала припаиваемых частей. При пайке основной металл твердый, а припой расплавлен. Части заготовки соединяются вследствие смачивания, взаимного растворения и диффузии припоя и основного материала в зоне шва. Для диффузии необходимо, чтобы припаиваемые поверхности были очищены, особенно от пленок оксидов, и защищены от окисления. Для защиты от окисления пpи пайке служат флюсы.
Паять можно углеродистую и легированную стали всех марок, твердые сплавы, ковкие и серые чугуны, а также цветные металлы и их сплавы. Можно также паять разнородные материалы (например сталь с твердыми сплавами, керамику, пластмассы).
Пайку широко применяют в радиоэлектронной, автомобильной авиационной промышленности и других отраслях машино- и приборостроения; ее применение расширяется с разработкой новых припоев и флюсов и развитием технологии пайки.
Пайку при температурах до 400 °С относят к низкотемпературной, при температурах выше 400 °С — к высокотемпературной. Припои для низкотемпературной пайки содержат олово, свинец, сурьму и цинк, припои для высокотемпературной пайки составляются на основе меди или серебра.
Нагрев припаиваемых частей и расплавления припоя при низкотемпературной пайке производят медными паяльниками, газовыми горелками, в печах, горячим газом. Пайку производят также погружением заготовок в расплавленный припой; этот способ является весьма производительным и экономичным в массовом производстве.
Для высокотемпературной пайки применяют индукционный нагрев, электрические печи сопротивления, пламенные нефтяные и газовые печи, а также применяют пайку лазером и электронным лучом.
Тема 6.2 Виды обработки металлов и неметаллических материалов
Литейное производство — процесс получения фасонных отливок путем заполнения жидким металлом заранее приготовленных форм, в которых металл затвердевает.
Отливки могут быть или готовыми деталями или заготовками для последующей обработки в механических цехах. В последнем случае на отливках предусматривается припуск на обработку. Литые детали широко применяют при изготовлении станков, машин, механизмов. Они могут иметь массу от 5 г до 260 т, быть весьма сложными по форме; толщина стенок отливок колеблется от 0,8 до 500 мм.
Наибольшее количество литья — около 70 % от массы всех отливок — производят из серого чугуна (включая модифицированный и высокопрочный), далее идет стальное литье (около 20 %), литье из ковкого чугуна (около 8 %), медных, алюминиевых, титановых, цинковых сплавов.
Существует несколько способов заливки металла в формы: свободная заливка (металл занимает форму под действием гравитационных сил); заливка во вращающуюся форму (металл занимает форму под влиянием центробежной и гравитационной сил); заливка давлением с применением литейных машин; заливка вакуумным всасыванием.
Формы для заливки могут быть разовыми и многократными. Разовые формы годны лишь для одной заливки. Многократные металлические формы выдерживают сотни и тысячи заливок; многократные песчано-цементные, графитные, керамические формы выдерживают несколько десятков заливок, они применяются для отливки станин станков, тяжеловесных плит.
Методы пайки
Методы пайки определяются химическими свойствами припоя, флюса и металла и режимом пайки (температура, время и т.д.) В зависимости от источника тепла осуществляется пайка следующими способами :
- пайка в печах ;
- пайка сопротивлением;
- индукционная пайка ;
- пайка паяльниками;
- пайка газовыми горелками.
- пайка погружением в расплавленный припой ;
В качестве припоя используются чаще всего сплавы металлов.
Основные требования к припоям:
1. Иметь температура плавления как минимум на 50-100 о С ниже температуры плавления паяемых металлов.
2. Обеспечивать хорошее смачивание металла и хорошее заполнение шва пайки.
3. Образовывать прочные, пластичные и корррозионно- устойчивые швы.
4. Иметь коэффициент линейного расширения не отличающийся резко от коэффициента линейного расширения паяемых металлов.
Припои делятся на две группы : мягкие (температура плавления ниже 500 о С), и твердые (выше 500 о С).
Мягкая пайка дает относительно невысокую механическую прочность, используется для деталей, работающих при невысокой температуре и небольших вибрационных ударных нагрузках : радиаторы, топливные баки, электрические провода и т.д. Наиболее распространенные оловянно-свинцовые (олово в чистом виде как припой не используется) припои ( цифра в названии припоя означает содержание в нем олова) : ПОС-18 (17-18% олова, 2-2,5% сурьмы и 79-81% свинца) используется для пайки неответственных деталей ; ПОС-30 и ПОС-40 — для швов, имеющих достаточную прочность и надежность, ПОС-50 и ПОС-61 — для деталей, швы у которых не должны окисляться при работе (электрооборудование и др.).
Твердая пайка выполняется в том случае, когда необходимо иметь прочный шов или шов, работающий при высоких температурах (топливо- и маслопроводы, контакты реле, и т.д.). К твердым припоям относятся : медные, медно-цинковые, латунные, алюминиевые и серебряные. Медно-цинковые припои (первая цифра в названии припоя означает содержание меди в припое, остальное цинк и небольшое количество примесей) : ПМЦ-36 — для пайки латунных изделий ; ПМЦ-48 — для деталей из медных сплавов, не подвергающихся ударным нагрузкам и изгибу; ПМЦ-54 — для пайки меди, бронзы и стали, не подвергающихся ударным нагрузкам.
Для получения эластичного и прочного соединения используются в качестве припоев латуни Л-62 и Л-68. (сплав меди с цинком — до 80% , с добавками алюминия, свинца, никеля — до 10%).
Для пайки ответственных конструкций используются серебряные припои : ПСр-12 ( 36%меди, 12%серебра, не более 1,5% примесей, остальное цинк); ПСр-45 для пайки латуни, меди и бронзы (контакты проборов электрооборудования) ;ПСр-70 для пайки электрических проводов, требующих низкого электрического сопротивления в местах пайки.
Для пайки деталей из алюминия и его сплавов используются алюминиево -кремниевые припои (силумины) и алюминиево — медные сплавы (34А и 35А). Припой 35А имеет более высокие механические качества и выше температуру плавления , чем 34А.
Для удаления с поверхности окисных пленок и защиты их от дальнейшего окисления служат флюсы, которые или растворяют окислы, или химически взаимодействуют с окислами и которые в виде шлака всплывают на поверхность шва. Также флюсы способствуют улучшению смачивания поверхностей пропоем. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя.
При пайке мягкими припоями применяются нашатырь (или хлористый аммоний), водный раствор хлористого цинка и хлористого аммония с концентрацией 20-50%. Соляную кислоту в качестве флюса не используют, а применяют водный раствор хлористого цинка, который получают травлением водного раствора соляной кислоты цинком:
HCl + Zn2→ Zn Cl2 +H2.
Для исключения дальнейшей коррозии паяных деталей применяют канифоль, которую необходимо наносить на место пайки, но не на паяльник, т.к. при перегреве на паяльнике она может потерять свои флюсующие свойства.
При пайке твердыми припоями в качестве флюса используют буру или смесь её с борной кислотой и борным ангидридом. Подбором количества борного ангидрида изменяют температуру плавления флюса.
Паяние деталей мягкими припоями выполняется чаще всего с помощью паяльников (медных и электрических), а твердыми припоями — газовыми горелками или индукционным нагревом. Рабочая часть паяльника натирается нашатырем для удаления окислов, облуживается. Поверхность шва обезжиривается флюсом, паяльником расплавляется и переносится припой на место пайки и равномерно распределяется по ней.
Детали ходовой части строительных и дорожных машин имеют очень большой износ. В этом случае для восстановления их целесообразно применять заливку жидким металла (литейную сварку), т.к. другие способы (автоматическая наплавка, постановка бандажей и т.д.) не дают хорошего качества и очень дороги.
Деталь нагревают и помещают в кокиль, тоже нагретый до 200-250 о С. Через летники заливают в кокиль жидкий чугун или сталь, которые заполняют пространство между изношенной деталью и стенкой кокиля, происходит сварка металла, компенсирующая износ. Для деталей ходовой части последующей механической обработки не требуется. По сравнению с другими способами стоимость восстановления снижается в два-три раза, а долговечность находится на уровне новой детали.
Copyright. При любом цитировании материалов Cайта, включая сообщения из форумов, прямая активная ссылка на портал weldzone.info обязательна.
Пайка металлов
Пайкой называется процесс получения неразъемного соединения заготовок с нагревом ниже температуры их автономного расплавления путем смачивания, растекания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления их при кристаллизации шва [1, 2,4,18].
Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного состава.
Для удаления оксидов с поверхности паяемого материала и припоя применяются специальные паяльные флюсы.
Образование соединения без расплавления основного металла обеспечивает возможность распая изделия.
Паять можно углеродистые и легированные стали всех марок, твердые сплавы, цветные металлы, серые и ковкие чугуны.
По условию заполнения зазора пайку можно разделить на капиллярную и некапиллярную.
При капиллярной пайке припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил. Паяльный зазор должен иметь определенную величину, чтобы проявлялись капиллярные явления. Соединение образуется за счет растворения основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют при соединении внахлестку.
При некапиллярной пайке припой заполняет зазор преимущественно под действием своей массы или прилагаемой к ней извне силы. Соединение деталей при некапиллярной пайке осуществляется приемами, характерными для сварки, только в качестве присадочного металла используется припой, т.е. металл или сплав, температура плавления которого ниже температуры плавления основного металла.
Способы пайки также классифицируют в зависимости от используемых источников нагрева. Наиболее распространены в промышленности пайка в печах, индукционная, погружением, газопламенная и паяльниками.
Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависит от правильного выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, величины зазоров, типа соединения.
Припой должен хорошо растворять основной металл, обладать смачивающей способностью, быть дешевым и недефицитным.
Флюс не должен химически взаимодействовать с припоем. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя. Флюс в расплавленном и газообразном состояниях должен способствовать смачиванию поверхности основного металла расплавленным припоем. Флюсы могут быть твердыми, пастообразными и жидкими. Для пайки наиболее применимы флюсы: бура Na2B407, борная кислота Н2В03, хлористый цинк ZnCl2, фтористый калий KF и др.
Пайкой можно изготавливать сложные по конфигурации узлы и целые конструкции, состоящие из нескольких деталей, за один производственный цикл (нагрев), что позволяет рассматривать пайку (в отличие от сварки) как групповой метод соединения материалов и превращает ее в высокопроизводительный технологический процесс, легко поддающийся автоматизации. Пайка уменьшает, а иногда полностью исключает остаточные напряжения и деформации. Важное преимущество пайки — возможность соединения разнородных металлов, а также металлов с неметаллами.
Пайка металлов. Способы, материалы, припои, флюсы для пайки металлов
Использование пайки известно с древнейших времен. В гробнице вавилонской царицы (III тыс . лет до н. э.), в засыпанной пеплом Везувия Помпее (79 г. до н.э.), во время других раскопок в Египте, Риме и Греции — всюду археологи находили паяные металлические изделия. Припои древних римлян церарий и аргентарий по своему химическому составу близки к существующим в настоящее время ПОС-30 и ПОС-50.
В истории использования пайки можно выделить три периода, которые связаны с развитием источников нагрева и особенностями применяемой техники. Первый период начался в бронзовом веке, когда человечество начало изготавливать изделия из бронзы и источником нагрева служило твердое топливо. Второй период (конец XIX ст.) характеризуется началом применения для нагрева электрической энергии. Третий период начался в 1930–1940-х годах и связан с созданием техники из новых металлов и их сплавов — циркония, вольфрама, алюминиевых, титановых, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов. Это привело во второй половине ХХ ст. к разработке принципиально новых способов пайки. В настоящее время технические возможности пайки значительно расширились. Во многих случаях пайка является единственно возможной технологией неразъемного соединения новых материалов.
Пайка — процесс получения неразъемного соединения металлов, находящихся в твердом состоянии, расплавленным припоем. Припоем является материал с температурой плавления ниже температуры плавления паяемых материалов. При пайке (в отличие от сварки) плавится только присадочный сплав — припой, а между паяемым материалом и припоем протекает процесс взаимного растворения компонентов.
Требования, предъявляемые к паяному соединению и характеризующие условия его эксплуатации, определяются служебными свойствами изделия в целом: механическими свойствами, герметичностью, вакуум-плотностью, электросопротивлением, коррозионной стойкостью, стойкостью против термоударов, перегрузок и др.
В процессе пайки расплавленный припой вводится в зазор между нагретыми соединяемыми деталями. Припой смачивает поверхности деталей, растекается и заполняет зазор между ними. Взаимодействие припоя с материалом сопровождается растворением основного металла в жидком припое с образованием эвтектик и твердых растворов, взаимной диффузией компонентов припоя в сторону основного металла и компонентов основного металла в сторону припоя с последующей кристаллизацией жидкой прослойки.
Формирование прочного и надежного соединения зависит от химического состава взаимодействующих металлов, температуры и продолжительности пайки, определяющих физико-химические и диффузионные процессы, протекающие между припоем и основным металлом. Чем выше температура процесса и его длительность, тем больше степень взаимной диффузии между расплавленным припоем и основным металлом и тем выше механическая прочность соединяемых деталей. Кроме того, прочность пайки зависит от величины зазора между паяемыми деталями. Так, при малых зазорах улучшается затекание припоя под действием капиллярных сил, вследствие чего значение временного сопротивления паяного соединения больше значения временного сопротивления самого припоя.
Припой прочно соединяется с поверхностью изделия только тогда, когда хорошо смачивает ее. Для этого поверхность должна быть тщательно очищена от загрязнений. Кроме этого, для удаления пленок оксидов с поверхностей паяемого материала и припоя и для предотвращения их образования при пайке используют паяльные флюсы. Флюсы, кроме того, способствуют лучшему затеканию припоя в зазор между соединяемыми деталями и растеканию по их поверхности. Некоторые припои, содержащие эффективные раскислители (бор, кремний, барий, щелочные металлы
иудтр.) мог ные пленки.
сами выполнять роль флюсов, переводя в шлак оксидКачество паяных соединений зависит от правильного выбора способа пайки, используемых основных и вспомогательных материалов, технологического процесса пайки.
Способы пайки. Современные способы пайки принято классифицировать по следующим признакам: механизмам удаления оксидной пленки с поверхности паяемого материала, видам процессов образования припоя в зазоре, условиям заполнения зазора припоем, температурным и временным режимами кристаллизации паяного шва, температуре пайки и используемым источникам нагрева, наличию или отсутствию давления на паяемые деталив, роедмнеонности и очередности выполнения паяных соединений (рис. 3.76).
По механизмам удаления оксидной пленки способы пайки делятся на флюсовые и бесфлюсовые.
Флюсовая пайка — пайка с применением флюса. При этом флюс может также участвовать в образовании самого припоя путем выделения компонентов, плавящихся при пайке.
Бесфлюсовая пайка — пайка без применения флюса, когда удаление оксидных пленок осуществляется в восстановительной или инертной газовой среде, вакууме, а также за счет применения ультразвука.
В первом случае удаление оксидов происходит при высоких температурах за счет их восстановления или самопроизвольного распада (диссоциации), а при ультразвуковой пайке их разрушение осуществляется за счет ультразвуковых колебаний, создаваемых в расплавленном припое, наносимом на соединяемый металл специальным паяльником.
По видам процессов образования припоя в зазоре способы пайки подразделяются на пайку готовым припоем, контактно-реактивную и реактивно-флюсовую.
Рис. 3.76. Классификация способов пайки
Пайка готовым припоем — способ пайки, при котором используется заранее приготовленный припой. В качестве припоя может использоваться металлический (полностью расплавляемый) или композиционный припой. В композиционном припое помимо металлической основы содержится тугоплавкий наполнитель (порошки, волокна, сетки), который сам не плавится, а при плавлении металла припоя образует разветвленную сеть капилляров, удерживающих под действием капиллярных сил его жидкую часть в зазоре между соединяемыми деталями.
Контактно-реактивная пайка — способ пайки, при котором жидкий припой образуется в результате межфазного взаимодействия и последующего контактного плавления соединяемых материалов или соединяемых материалов и прослойки промежуточного металла. К этому способу пайки относится сваркопайка. Сваркопайка — пайка разнородных материалов, при которой более легкоплавкий материал локально нагревается до температуры, превышающей температуру его плавления, и выполняет роль припоя.
Реактивно-флюсовая пайка — способ пайки, при котором припой образуется в результате химических реакций между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с использованием флюса ZnCl3 в результате химической реакции восстановления
образуется цинк, который служит припоем.
По условиям заполнения зазора припоем пайку можно разделить на капиллярную (ширина зазора
