Алюминий на складе «М-Комплект»
(044)490-04-88 (063)717-67-74

Припой для низкотемпературной пайки

Повышение коррозионной паяного шва

Пайку нагревом до температуры 450°С проводят обычно оловянно-цинковыми, кадмиево-цинковыми и цинковыми припоями. Соединения из алюминия и его сплавов, паянные легкоплавкими припоями на основе олова или олова со свинцом, имеют низкую коррозионную стойкость как в условиях хранения, так и во всеклиматических условиях испытаний и в морской воде.

В 50—60-х годах было установлено, что склонность к коррозии может быть снижена при введении в легкоплавкие припои цинка. Однако существенного повышения коррозионной стойкости паяных соединений удается достичь лишь при введении в эти припои не менее 50% Zn. Вместе с тем подобное содержание цинка в оловянных и оловянно-свинцовых припоях приводит к существенному повышению температуры их полного расплавления (более 370°С). При ограничении температуры пайки 300°С содержание цинка в припоях Sn—Zn не превышает 20 %. При содержании в припоях 30 — 40 % Zn частичная замена олова кадмием или кадмием и свинцом мало влияет на их температуру начала и конца кристаллизации. Положительное влияние цинка на коррозионную стойкость соединений из алюминия и его сплавов, паянных оловянными или оловянно-свинцовыми припоями, по мнению Дж. Д. Дауда, обусловлено улучшением соотношения потенциалов паяемого металла и шва. Однако при этом важную роль играют процессы пассивирования, т. е. образования оксидной пленки на контактирую щих поверхностях металлов, тормозящие развитие коррозии. При развитии пассивирования соотношение потенциалов контактирующих металлов может и не оказывать существенного влияния на развитие коррозии. Развитие процессов пассивирования тормозится в узких зазорах между контактирующими металлами из-за затрудненного доступа в эти места кислорода, в результате чего в зазорах развивается щелевая коррозия.

Щелевая коррозия

Н. Ф. Лашко и С. В. Лашко высказали предположение, что развитие щелевой коррозии в соединениях из алюминия и его сплавов, паянных легкоплавкими припоями на основе олова или олово — свинец (отслоение шва от паяемого материала без видимых следов коррозии), связано с характером физико-химического взаимодействия олова и свинца с алюминием. Из двойных диаграмм состояния Al—Sn и Аl—Рb следует, что при низкотемпературной пайке растворимость алюминия в олове и свинце весьма мала; при пайке алюминия такими припоями слабо развивается диспергация оксидной пленки от мест ее разрушения. Это особенно проявляется при бесфлюсовой пайке с применением ультразвука или абразивной пайки. В результате этого паяный материало и шов связаны по отдельным «мостикам», между которыми располагаются невидимые для невооруженного глаза щели между паяным швом и основным материалом, по которым и протекает щелевая коррозия. При погружении паяного соединения в подсоленную воду образуются продукты коррозии (гидрооксиды), которые изменяют состав электролита и снижают его рН, что способствует более интенсивному развитию коррозии.

Положительное влияние на коррозионную стойкость цинка в припоях с оловом и свинцом обусловлено повышением при этом растворимости в припое алюминия и, как следствие, более активным развитием процесса диспергации оксидной пленки на поверхности алюминия при низкотемпературной пайке. Процессу диспергации способствуют также повышение температуры и длительности выдержки при пайке, а также введение в припои других элементов, обладающих достаточно высоким химическим сродством к алюминию, в том числе образующих с ним химические соединения, особенно выше температуры пайки. К таким элементам с высоким химическим сродством к алюминию относятся серебро, сурьма, никель, а также медь, титан, магний, литий и др.

Оценка стойкости припоев алюминия в промышленной и тропической атмосферах

Слабо взаимодействуют с алюминием не только олово и свинец, но и кадмий. Введение цинка в состав припоя для алюминия повышает коррозионную стойкость паяного соединения; припой П300А (60% Zn—40% Cd) образует с алюминиевым сплавом АМц коррозионностойкие паяные соединения, которые не снижают механических свойств после пребывания их в камере тропической атмосферы в течение четырех месяцев и в условиях полупромышленной атмосферы в течение девяти месяцев. Наиболее коррозионностойкими в этих условиях являются соединения из алюминиевого сплава АМц, паянные припоями Zn—20%Аl и Zn—15%Cu (П425А и П480А).

Исследования показали, что при ускоренных коррозионных испытаниях в растворе дистиллированной воды с 3% NaCl и 0,1 % Н2О2 при 20°С время до разрушения образцов из алюминиевого сплава АМц, паянного припоями Sn— Pb, Sn—10%Zn: Sn—15%Pb —7 %Cd, измеряется десятками часов, а паянных наиболее коррозионностойким припоем Zn—5 %Al—тысячами часов. Введение в цинково-алюминиевый припой добавок олова, кадмия, свинца ухудшает коррозионную стойкость паяных соединений из алюминия: добавки хрома, меди, никеля, сурьмы, серебра способствуют ее повышению.

Для пайки алюминия и его сплавов используют припои системы Pb—Zn, Zn—Cd, Sn—Pb—Zn. Припои типа 63 % Pb—34 % Sn —3 %Zn обеспечивают лишь низкую коррозионную стойкость паяных соединений: припои 60 % Zn—40 %Cd и 70 %Zn—30 % Sn — среднюю их коррозионную стойкость, а припои Zn—5 %Al и 100 % Zn — высокую коррозионную стойкость паяных соединений. Цинковый припой Zn—5 %Al имеет соответственно температуру плавления 381 °С и температуру пайки 421—427°С.

Наилучшими припоями, обеспечивающими наиболее высокую коррозионную стойкость и прочность, являются сплавы с 70—95%Zn с добавками серебра, меди, алюминия. К недостаткам таких припоев относится относительно высокая температура пайки (370—510 °С), при которой наклепанный или нагартованный алюминий может отжигаться. При пайке этими припоями пригоден нагрев как газопламенный и погружением, так и в печи. Важнейшими технологическими особенностями пайки с этими припоями является необходимость кратковременного их нагрева (<1 с) и небольшого перегрева (не выше 25 °С).

Соединения из алюминия и его сплавов, паянные припоями на основе олова или олово — свинец, могут использоваться только после нанесения на них специальных лакокрасочных покрытий или в вакууме, инертных газовых средах. Соединения, паянные цинковыми припоями, изготовленными из цинка с повышенным содержанием примесей олова, свинца, сурьмы, кадмия, склонны к развитию в паяных швах межкристаллитной коррозии, и поэтому такие припои для пайки алюминиевых сплавов, особенно для пайки изделий, работающих в кипящей воде, изготовляют из цинка чистоты 99,99%.

Кроме того, цинковые припои склонны к межзеренной химической эрозии паяемых алюминиевых сплавов: введение в цинковые припои алюминия (> 4 %) снижает межзеренное проникновение припоя в паяемый материал при условии строгого соблюдения термического режима пайки. Введение хрома способствует измельчению зерна цинковых припоев.

Повышениие смачиваемости

Для улучшения смачивающей способности и упрочнения цинковых припоев для пайки алюминиевых сплавов А. Г. Спасским и Г. К. Смирновым предложено легировать их галлием. Исследования показали, что введение в припой Sn—40 % Zn галлия в количестве 1,5 % повышает его временное сопротивление разрыву от 68,6 до 98 МПа, не влияет на его удельное электросопротивление и не снижает коррозионную стойкость паяного соединения. Однако увеличение содержания галлия в припое выше 1,5 % резко снижает прочность припоя и его коррозионные свойства. Показано, что соединения из сплавов Д16 и АМгб, паянные припоем с 1,5 % Ge, выдерживают вибрационную нагрузку при ускорении 5—10 g, частоте 2000 Гц и циклическом нагреве от —60 до 60 °С, а также вакуум-плотны при давлении до 1,33 ·10-1Па, но должны быть защищены лакокрасочными покрытиями.

В табл. приведены составы легкоплавких припоев для пайки алюминия и его сплавов, предложенные в последние годы за рубежом. Необходимо при этом отметить, что припой Sn—(18— 20)% Cd — (0,5—1)% Ag — (0,5—1,5) % Ga образует паяные соединения из алюминиевого сплава АМц, выдерживают частоту 20—2000 Гц, перегрузки в 35 g длительностью 1 —10 мкс, а также термоциклирование от —60 до +60 °С; паяные соединения вакуум-плотны при давлении от 1,33 ·10-3 до 1,33·10-2 Па.

Легкоплавкие зарубежные припои для пайки алюминия и его сплавов
Основа Содержание легирующих элементов, % Температура плавления,°C Примечание
* Температура пайки.
** Может содержать 0,01—0,1 Ti.
*** Соотношение Be и мишметалла от 1 : 1 до 1 : 10.
Sn
0,3—3 Bi; 0,5—2 Сu; 0,5—2 Ni; 0,3—2 Mg; 37,4—63,0Zn
160—250
Повышенная прочность паяного соединения
Sn
7—9 Zn; 6—8 Bi; 2,4—4 Sb
Повышенная коррозионная стойкость паяных соединений
3—5 Zn; 2 Mg; 2 Ag; 2 Cu
Sn
18—20 Cd; 0,5—1 Ag; 0,5—1 Ga
Повышенная коррозионная стойкость паяных соединений. Для паяных соединений σв = 78—98 МПа
Sn
1,5—2 Zn; ≤1,5 Ag; 0,1—5 Cu; 0,5—7 Mg
350
Повышенная коррозионная стойкость паяных соединений
Sn
35—48 Zn; 0,5—1,5 Al; 0,1—0,8 Si; 0,5—1,1 Cu; 0,02—2,2 P3M
<350
Средняя коррозионная стойкость паяных соединений. Для абразивной пайки с газопламенным нагревом
Pb
1 — 10 Sn; ≤5 Ag; ≤0,1 Sb
 
Повышенная коррозионная стойкость паяных соединений
Pb
3—15 Sb; 0,115 Zn; 0,1—5 Ag; примеси <0,05 %
250—360
Для ультразвуковой, вакуумной и флюсовой пайки; нагрев — погружением или в печи
Pb
5—30 Sn; 1 — 10 Bi; 0,5—5 Ag
Повышенная коррозионная стойкость паяных соединений
Sn
20—40 Zn; 10—57 Cd
300
Для флюсовой пайки
Zn
40—50 Cd;   1—8 Cu;  2—10 Sn;  0,5—1,5 Ga; 0,5—1 Ag; 0,5—1,5Al
350
Повышенная коррозионная стойкость паяных соединений.  На  алюминий  предварительно наносят цинк, никель, медь химическим, гальваническим или термовакуумным способами. Нагрев при пайке газо-пламенный или паяльником
Zn
7,5—11,5 Al; 3,5—4,5 Cu; 0,005—0,2 Be; примеси <0,3
440 *
Высокая коррозионная стойкость паяных соединений. Соединения не корродируют в кипящей воде в течение 100 ч
Zn (99, 99)
3—7 Al; 0,2—3 Cr
Zn
5—7 Al; 0,5—1 Cu; 0,005—0,5 Mg; 0,05—0,1 Mn; 0,1—0,4 Ni; 0,05—0,2 Cr**
440
Высокая коррозионная стойкость паяных соединений. Припой технологичен и не изменяет цвета
Zn
7,5—11,5 Al; 3,5—4,5 Cu; 0,005—0,2 Be; примеси <0,3; 4,3
440
Высокая коррозионная стойкость паяных соединений. Швы не корродируют в кипящей воде в течение 100 ч. Для паяного соединения σв = 171 МПа
Zn
3—6 Al; 1,5—3,5 Cd; 1—2 Mg
<450      
Высокая коррозионная стойкость в промышленной атмосфере
Zn
3—7 Al; 0,5—1 Ag; 0,005—0,015 Mg; 0,005—0,1 Ni; 0,05—0,2 Сг; 0,005—0,2 Si; 0,001—0,05 Be; мишметалл***
440
Высокая коррозионная стойкость паяных соединений для ультразвуковой пайки, прочны
Zn
7,5—11,5 Al; 3,5—4,5 Cu; 0,005—0,2 Be; примеси <0,3
440 *       
Соединения не корродируют в кипящей воде. Для печной пайки
Zn
3—4,5 Al; 1—3 Ag; 0,1—0,8 Mg
330—420
Паяные швы не склонны к межкристаллитной коррозии
Zn
3—7 Al; 0,3—2 Сг
Для флюсовой пайки. Склонны к усадке
Zn
0,5—1,5 Al; 0,1—0,8 Si; 0,02—2,2 РЗМ; 0,5—1,1 Cu; 27,9—44,6 Sn
Для абразивной пайки с газопламенным нагревом     
Zn
17,2—40 Al; 4—15 Cu; 0,2—2,2Ag
<450 
Zn
34Cd
265—305
Для ультразвуковой пайки труб погружением

Для цинковых припоев характерна не только интенсивная межзеренная, но и общая химическая эрозия алюминия и его сплавов.
Считают, что введение в оловянные припои меди, никеля, магния, цинка, сурьмы также повышает их прочность и легкоплавкость. Добавки магния, образующего соединение Mg2Si, упрочняют паяное соединение.