Получение металлических порошков

Металлические порошки, применяемые в порошковой метал­лургии, различаются как по размерам (от долей микрона до милли­метров), так и по форме и состоянию поверхности частиц.

Получают металлические порошки механическими и физико-химическими методами.

1. Механические методы получения порошков.

1.1 Размолом в шаро­вых мельницах наиболее целесообразно получать порошки хрупких металлов и сплавов: кремния, бериллия, чугуна, бронзы, ферро­сплавов и др.

Пластичные металлы перед размолом приводятся в хрупкое состояние искусственным способом — насыщением их во­дородом, охлаждением до температур повышенной хрупкости, вве­дением легирующих добавок или поверхностно-активных веществ, создающих расклинивающие усилия в микротрещинах частиц. Иногда ме­ханическое измельчение сочетается со смешиванием шихты.

В основе измельчения лежит ударное, скалывающее и истираю­щее действие шаров и самой разма­лываемой массы

Рис. 18.1. Шаровая мельница

Шаровая мельница (рис.18.1) состоит из стального или футеро­ванного твердыми сплавами барабана диаметром 250…1500 мм, в ко­торый загружаются размалываю­щие шары (стальные, твердосплав­ные или чугунные) и обрабатывае­мый материал. Коэффициент запол­нения барабана шихтой и шарами не должен

превышать 0,4…0,5. Частицы порошка, полученного в шаровых мельницах, имеют вид неправильных многогранников, листочков или завитков размерами 0,1—0,3 мм.

Недостатком этого метода является загрязнение порошков про­дуктами истирания шаров и барабана.

1.2. Размол в вихревых мельницах более интенсивен, чем в шаро­вых. Вихревая мельница (рис. 18.2, а) состоит из футерованного из­носоустойчивой сталью кожуха, в котором вращаются со скоростью 3000 мин^-1в противоположном направлении два пропеллера. Материал (рубленая проволока, стружка, опилки, обрезки и про­чие мелкие кусочки), загруженный в бункер, захватывается пере­секающимися воздушными потоками и за счет взаимного соударе­ния дробится на частицы размером от 50 до 200 мкм.

а) б)

Рис. 18.2. Вихревая мельница

а – с пропеллером; б – с билами

Для охлаждения в кожухах часто предусматривается водяная рубашка. В камеру размола иногда нагнетают инертный газ, предо­храняющий частицы от окисления и самовозгорания. В последних конструкциях мельниц пропеллеры заменены билами (рис. 18.2. б), вращающимися в одном направлении.

Частицы порошка, полученного в вихревых мельницах, имеют тарельчатую форму с зазубренными краями и шероховатой поверх­ностью.

1.3. Для получения тонких порошков из малопластичных материа­лов (карбидов металлов, окислов и др.) применяются вибромельницы (рис.19.3). Работа их основана на высокочастотном воздействии на измельчаемый материал стальных шаров и цилиндров. Частота колебаний барабана 1500…3000 в минуту, амплитуда 2…3мм.

Шихта и шары засыпаются на 80% емкости барабана (шаров обыч­но в 8…10 раз больше, чем шихты). Интенсивность размола повы­шается в присутствии воды, дихлорэтилена, бензола, бензина, спир­та, ацетона и др. Во время работы кожух барабана охлаждается.

Рис. 18.3. Барабан вибромельницы

1.4. Получение порошка методом распыления жидких металлов за­ключается в том, что расплавленная струя металла распыляется с помощью воздуха, инертных газов или ударов лопаток вращаю­щегося диска. Частицы порошка, полученного этими методами, имеют форму, близкую к сферической, и размеры 0,05…0,35 мм.В процессе распыления и грануляции частицы окисляются, что требует последующего восстановительного отжига.

Особое значение приобретает метод получения алюминиевых гранул из расплава, заливаемого во вращающийся стакан с отвер­стиями в стенках. Из гранул алюминия и упрочняемых сплавов округлой и вытянутой формы размером от 1 до 3…4 ммпрокаты­вают ленту и прессуют полуфабрикаты.

2.Физико-химические методы получения порошков. Это методы, при которых производство порошков сопровождается изменением химического состава исходного сырья или его агрегатного состоя­ния в результате химического или физического воздействия на ис­ходный продукт.

2.1. Методом химического восстановления получают порошки же­леза, меди, никеля, кобальта, вольфрама, молибдена и др. Качест­во порошка во многом зависит от температуры, давления, состава восстановителя и режима процесса.

Восстановление осуществляется водородом, диссоциирован­ным аммиаком, конверторным, коксовым, доменным и другими га­зами, а также углеродом, при. этом в реакции восстановления уча­ствует окись углерода. Недостатком восстановления углеродом является науглероживание конечного продукта.

2.2. Широкое распространение получило электролитическое осаждение порошкообразных металлов из водных растворов солей и рас­плавленных сред. В первом случае получают порошки олова, се­ребра, меди, железа; во втором — порошки некоторых редких ме­таллов: тантала, ниобия, тория, циркония, урана и др.

Частицы порошков, полученных электролитическим методом, имеют форму дендритов, размер которых зависит от плотности тока. По­рошки отличаются высокой чистотой и хорошей прессуемостью. Преимуществом этого метода является возможность получать чис­тые порошки из загрязненных исходных продуктов.

2.3. Карбонильный метод основан на том, что многие металлы (же­лезо, никель, кобальт и др.) при определенных условиях (высокое давление, повышенная температура) образуют с окисью углерода химические соединения, называемые карбонилами: Fе (СО)₅, Ni (CO)₄ и др. Это неустойчивые соединения, которые разлагаются (диссоциируют) с образованием тонких порошков металла и окиси углерода.

Карбонильные железные порошки обладают хорошими техно­логическими свойствами и используются для получения магнитомягких материалов.

2.4. Методом гидрогенизации получают порошки редких металлов: титана, циркония, урана и др. Металл в виде губки или небольших кусков загружается в реакторы, через которые пропускается водо­род. При нагреве до определенной для каждого металла темпера­туры (300…800°С) происходит активное поглощение водорода, в ре­зультате чего металл становится хрупким и растрескивается. По­сле этого его размалывают одним из механических способов и подвергают дегидрогенизации при температуре около 800°С в ваку­уме. Недостаток этого метода — высокая хрупкость и низкая плас­тичность порошков.

Вопросы и задания для повторения и закрепления:

1. Какими способами получают металлические порошки?

2. Какие применяются механические методы получения металлических порошков?

3. Какие имеются физико-механические методы получения металлических порошков?

Формование порошков

При формовании осуществляется кон­солидация частиц порошков с одновременным формообразова­нием заготовок (прессовок) и их уплотнением. Прессовки полу­чают холодным прессованием в пресс-формах, горячим прессова­нием, продольной, поперечной или поперечно-винтовой прокат­кой, методами, применяемыми при формовании полимерных ма­териалов — экструзией и литьевым прессованием, а также гидростатическим уплотнением, когда поро­шок помещается в герметическую деформируемую оболочку (чаще из резины) и уплотняется при всестороннем давлении жидкой сре­ды на эту оболочку.

В других случаях порошки насыпают в форму или на поверх­ность без применения повышенного давления, например, для припекания к поверхности изделия порошкового слоя с целью защи­ты от коррозии

Масса различных прессовок колеблется в широких пределах от долей грамма до тонны и более. Из названных способов формования самым распространенным является способ холодного прессования в закрытых пресс-фор­мах с последующим спеканием прессовок.

На рис. приведены примеры деталей, полученных в пресс-формах из ме­таллических порошков. Операция прессования складывается из дозирования шихты, ее засыпки в пресс-форму, собственно прессования на гидравли­ческих или механических прессах и удаления прессовки из пресс-формы. Давление прессования составляет от 10 до 420 МПа. В качестве примера: прессовки на железной основе получают при давлении 80…100 МПа (относительная пористость составляет 14…18%), антифрикционные прессовки на железной основе 60…80 МПа (пористость 18…25%), на мед­ной основе — 30…60 МПа.

Конфигурация поверхностей деталей пресс-формы — матри­цы, пуансонов, стержней — должна определять заданную форму прессовки, которая близка к готовой детали. На прессовке пред­усматривают припуск на усадку и, если нужно, на механическую обработку — шлифование или другие виды точной обработки, при­пуск на нее незначителен и коэффициент использования металла при этом составляет 0,97…0,99 (и редко 0,91).

При прессовании увеличивается поверхность контакта и сцепле­ние частиц за счет их взаимного схватывания и диффузии по чис­тым поверхностям и в местах механического разрушения оксид­ных пленок, а также за счет электростатических сил; одновре­менно изменяется форма частиц (например, первоначально сферическая форма превращается в подобие многогранной), уве­личивается относительная плотность прессовки, уменьшается по­ристость.

Уплотнение порошка в различных точках заготовки неодина­ково: чем дальше от поверхности пуансона, тем давление в по­рошке меньше и тем меньше его уплотнение. Это объясняется влиянием сил трения матрицы, бокового давления и других фак­торов.

Применяются как неразъемные матрицы, из которых готовые прессовки выдавливаются, так и разъемные, где прессовки удаля­ются после разборки матриц.

Простые по форме и невысокие заготовки (например, пластин­ки твердых сплавов для режущих инструментов) получают в глу­хих матрицах при одностороннем движении пуансона.

При двухстороннем прессовании относительно высоких изде­лий встречным движением пуансонов наименьшая плотность будет в средней по высоте части прессовки. При спекании такой прессовки в средней ее части произойдет наибольшая усадка с об­разованием так называемой «талии». Поэтому конструкция пресс-формы и технология прессования должны обеспечивать одинако­вую плотность готовых прессовок.

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Какими методами происходит формование прессовок?

2. Какие примерно режимы выдерживаются при получении прессовок?

Спекание прессовок

При формовании поверхность контакта частиц неспе­ченного материала составляет лишь незначительную часть их об­щей поверхности. При спекании поверхность контакта увеличи­вается, увеличивается также плотность материала и его прочность.

Температура спекания зависит не только от химического со­става прессовки, но также и от фракции порошка. В прессовках из тонких порошков частицы имеют большую внутреннюю и внеш­нюю (в связи с пористостью) поверхность, температура спекания таких прессовок ниже, чем прессовок из порошков более круп­ной фракции того же состава.

Спекание однокомпонентных прессовок производится при тем­пературе около 2/3…4/5 их абсолютной температуры плавления. В начальной стадии спекания снимаются наклеп и остаточные на­пряжения, что сопровождается ослаблением физического контак­та между частицами, относительная плотность при этом прак­тически остается неизменной. По достижении температуры, состав­ляющей примерно половину температуры плавления, развиваются процессы восстановления оксидов и удаления из прессовки газооб­разных продуктов; снижение или повышение плотности на этом этапе зависит от начального количества оксидов и характера порообразования, препятствующего (при закрытых порах) или спо­собствующего (при открытых порах) удалению газов. На послед­нем — высокотемпературном — этапе спекания идет диффузион­ная рекристаллизация с полным развитием металлических контак­тов, что сопровождается уплотнением материала.

Спекание двух- и многокомпонентных прессовок производит­ся при температуре несколько выше точки плавления наиболее низкоплавкого компонента, вводимого в порошковую смесь в ка­честве связующего, или точки плавления эвтектики этого компо­нента с другими компонентами порошковой смеси. В зависимос­ти от взаимной растворимости компонентов и способности образо­вать химические соединения получаемый после спекания материал является однофазным или многофазным.

Прессовки имеют, как правило, большую удельную поверхность и склонность к окислению, поэтому спекание производят чаще в нейтральной или восстановительной среде (вакуум, угольные за­сыпки, водород, азот).

Если на поверхности порошинок находятся оксиды, не восста­навливающиеся водородом, то в шихту вводят сажистый углерод, восстанавливающий при нагреве металлы из оксидов (оксиды титана, магния, хрома, тантала, ниобия).

Для спекания при температурах до 1100°С применяют электри­ческие печи сопротивления с нихромовыми элементами, при темпе­ратурах до 1500°С — с молибденовыми элементами, до 2500°С — с вольфрамовыми элементами. Для спекания при более высоких температурах применяют высокочастотный нагрев или пропус­кают через заготовку электрический ток.

Температура спекания изделий конструкционного назначения из порошков на основе железа 1100…1200°С, на основе меди — 800…950°С.

Задание для повторения и закрепления:

1. Как проходит процесс спекания прессовок?

Металлокерамические сплавы

Появление металлокерамических твердых сплавов бы­ло подлинной революцией в обработке металлов резани­ем. Их использование позволило увеличить скорости ре­зания в 8…10 раз по сравнению с быстрорежущими ста­лями. Их получают методом порошковой металлургии путем спекания и прессования порошков карбидов туго­плавких металлов, таких как вольфрам, титан и тантал с порошком кобальта.

При этом получают пластинку, в которой основой слу­жат карбиды, а связкой кобальт. Пластинка заданной формы напаивается или механически крепится к корпусу инструмента. Теплостойкость твердых сплавов составля­ет 800…900°С, а твердость и износостойкость значитель­но выше, чем у быстрорежущих сталей.

Прочность (особенно усталостная) сплавов возраста­ет с увеличением содержания кобальта, однако при этом снижается их износостойкость. В стандартных марках твердых сплавов содержание кобальта колеблется от 2 до 15%. Прочность твердых сплавов относительно невысокая (в три раза меньше, чем быстрорежущих сталей).

Твердые сплавы с малым содержанием кобальта обладают более высокой износостойкостью, но весьма хруп­ки. Увеличение содержания кобальта до 15% снижает их износостойкость до уровня быстрорежущих сталей.

Наиболее часто применяемые твердые сплавы делят на три группы:

1) однокарбидные вольфрамкобальтовые сплавы ВК;

2) двухкарбидные вольфрамтитановые спла­вы ТК;

3) трехкарбидные титантанталвольфрамовые сплавы ТТК.

Однокарбидные вольфрамкобальтовые сплавы ВК.

Эти сплавы состоят из двух структурных фаз: высокотвердых карбидов вольфрама, обеспечивающих сплаву высокую твердость и теплостойкость, и кобальта, сооб­щающего сплаву необходимую прочность.

Наиболее часто применяют сплавы марок ВК8, ВК6, ВК4, ВКЗ, ВК2. Цифра при букве «К» обозначает процент­ное содержание кобальта, всё остальное — карбиды воль­фрама. Сплав ВК8 используют для черновой, а сплавы ВКЗ и ВК2 для чистовой обработки (см. таб. 18.4).

Свойства сплавов можно изменять за счет технологии их изготовления, например изменением величины карбид­ного зерна. Так, сплавы ВК6М, ВКЗМ с мелким зерном обладают более высокой стойкостью против истирания, но прочность их несколько меньше по сравнению со сплавами марок ВКЗ и ВК6. Сплав ВК8В имеет крупное зерно и поэтому он более прочен, но несколько уступает сплаву ВК8 в износостойкости. Сплавы ВК используют для обработки чугунов и цветных металлов, пластмасс, а также весьма прочных, закаленных сталей

.

Двухкарбидные вольфрамтитановые сплавы ТК.

Сплавы ТК состоят из трех структурных фаз: твердого раствора карбидов вольфрама в карбидах титана — сложного карбида, свободного карбида вольфрама и ко­бальта.

Более высокие режущие свойства по сравнению со сплавами ВК двухкарбидные сплавы ТК приобретают за счет образования сложного карбида. Повышается твер­дость, теплостойкость, одновременно несколько снижает­ся механическая прочность.

Наиболее часто используют сплавы марок Т5К10, Т14К8, Т15К6, ТЗОК4. Химический состав этих сплавов расшифровывают по следующему правилу: цифра при букве «Т» обозначает процентное содержание карбидов ти­тана, при букве «К» — кобальта, все остальное—карбиды вольфрама. (см. таб. 18.4)

. Наиболее прочным, но относительно менее износо­стойким является сплав Т5К10, наиболее износостойким, но более хрупким — сплав ТЗ0К4. Сплавы ТК имеют вы­сокую износостойкость и теплостойкость, поэтому их при­меняют для обработки сталей.

Таблица 18.4
марка	Массовое содержание компонентов, %	Предел прочности при изгибе МПа, не менее	Твёрдость HRA, не менее
WC	TiC	TaC	Co
ВК3 ВК3М ВК6 ВК10М ВК10кс ВК20 Т30К4 ТТ7К12		— — — — — —	— — — — — — —			89,5 91,0 88,5 88,0 85,0 84,0 92,0 87,0

Трехкарбидные титантанталвольфрамовые сплавы ТТК.

Указанные сплавы состоят из трех фаз: твердого раствора карбидов титана, карбидов тантала и карбидов вольфрама — сложного карбида, свободного карбида вольфрама и кобальта. Добавка тантала увеличивает ус­талостную прочность сплава, снижает склонность к трещинообразованию при циклических изменениях темпера­туры. Представителями этих сплавов являются ТТ7К12, ТТ10К8, ТТ20К9.

Химический состав расшифровывается так: цифра при буквах ТТ обозначает суммарное про­центное содержание карбидов титана и тантала, а при бук­ве К —кобальта, все остальное — карбиды вольфрама. (см. таб. 18.4)

Сплав ТТ7К12 успешно применяют при тяжелых ус­ловиях резания, например при строгании сталей с боль­шими сечениями срезаемого слоя металла — до 60…80мм². Сплав ТТ10К8 показал в 5…6 раз более высокую стойкость при получистовой и чистовой обработке жаро­прочных сплавов по сравнению со сплавом Т5К10.

Качество твердосплавного инструмента, его работо­способность можно значительно повысить за счет совер­шенствования технологии их изготовления. Недостаточ­ная механическая прочность твердых сплавов еще более снижается при изготовлении инструмента в процессе на­пайки и заточки. При напайке за счет различного коэф­фициента теплового расширения державки резца и пла­стинки, а при шлифовании за счет значительного тепло­вого градиента температур по сечению возникают напряжения, которые приводят к местным пластическим деформациям, а отсюда и к остаточным напряжениям, снижающим прочность.

Радикальное средство предупреждения этих явле­ний — использование инструментов с механическим креп­лением твердосплавной пластинки и алмазная заточка.

Вопросы и задание для повторения и закрепления:

1. На какие группы делят все твёрдые сплавы?

2. Какова роль кобальта при изготовлении изделий из твёрдых сплавов?

3. Для чего предназначена каждая группа твёрдого сплава?

Литые твёрдые сплавы

Применяют для наплавки быстроизнашивающихся деталей типа штампов, ножей для резания металлов, центров токарных станков, протяжных колец и т. д.

К литым сплавам относят стеллиты и сормайты.

Стеллиты представляют собой сплавы на основе вольфрама, хрома и кобальта.

Стеллиты В2К и ВЗК, отливаемые в прутки, используют для на­плавки инструментов и деталей с целью повышения их твердости и износостойкости. Наплавку осуществляют при помощи ацетилено-кислородного пламени или электрической дуги. Наплавленный слой имеет твердость НRС 60…62 и высокую красностойкость (до температур 700…800° С), а также сравнительно высокую коррози­онную устойчивость в ряде сред.

Структура наплавленного стеллита представляет собой эвтектику, состоящую из твердого раствора и карбидов хрома. На струк­туру и механические свойства наплавленного слоя оказывает вли­яние скорость охлаждения: чем быстрее охлаждение, тем мельче зерна и выше механические свойства. Наплавленный слой термичес­кой обработке не подвергают.

Сормайты представляют собой высокоуглеродистые хромистые сплавы на железохромовой основе

. Сормайт № 1 пред­ставляет собой заэвтектический высокохромистый чугун со структу­рой первичных карбидов и эвтектики, в то время как сормайт № 2 — доэвтектический белый хромистый чугун со структурой перлита и карбидной эвтектики.

Сормайты, выпускаемые в виде прутков диаметром 5…7мм, используют для наплавки деталей и инструментов, работающих в условиях трения скольжения при нормальных и высоких температу­рах (до 500…600° С) без ударных нагрузок. Ими наплавляют гибочные и вытяжные матрицы, измерительные скобы, протяжки, ножи для горячей резки металлов, клапаны двигателей внутреннего сгорания и т. д. Наплавлять сормайтом можно стальные и чугунные дета­ли.

Наплавленный сормайтом № 2 слой подвергают отжигу при 850…900°С с последующей закалкой в масле и высоким отпуском, в результате чего его твердость равна НRС60…62.

Твердость слоя, наплавленного сормайтом № 1, равна НRС 48… 50; термической обработке его обычно не подвергают.

Вопросы и задание для повторения и закрепления:

1. Что представляют из себя сплавы стеллит и сормайт?

2. При каких работах применяются сплавы стеллит и сормайт?

Металлокерамические изделия

Ферриты.Ферриты представляют собой металлокерамику из порошков триоксида дижелеза (Fе₂О₃) и оксидов некоторых дру­гих металлов (МпО, ZпО, NiО, МgО и др.). Ферриты обладают свой­ствами полупроводников и являются важнейшими материалами для радиоэлектронных устройств.

Антифрикционные и фрикционные изделия.Антифрикцион­ные сплавы содержат дефицитные цветные металлы (олово, сви­нец, сурьма), кроме того, они не могут работать в условиях сухого трения, при большой скорости скольжения, в агрессивных средах и при температурах выше 350 °С.

Для изготовления подшипников скольжения, вкладышей, вту­лок, уплотнителей все более широкое применение находят спе­ченные антифрикционные материалы, которые могут работать в названных выше условиях. Эти материалы ха­рактеризуются также низким коэффициентом трения, высокой износоустойчивостью и хорошей прирабатываемостью. Относи­тельная пористость этих материалов (18…25 %) обеспечивает не­обходимую масловпитываемость. Для пропитки маслом изделия обрабатывают в масляной ванне при температуре 100-120 °С в течение 1,5…2,0 часов.

Спеченными антифрикционными материалами являются железографит, железографит-медь, железо-медь, бронзографит.

Фрикционные спеченные материалы применяют для прокладок в тормозных дисках машин, для тор­мозных лент и колодок в самолетах, тракторах и т. д. В состав их входят медь, железо, олово, графит, кремний. Эти материалы вы­держивают давление до 7 МПа и нагрев до температуры 550°С.

Фильтры.Фильтры, спеченные из порошков, по сравнению с фильтрами из других материалов (бумаги, фибры, фетра, металли­ческих сеток, фторопластовых и нейлоновых пористых материа­лов) имеют большие прочность и стабильность формы, теплостой­кость и теплопроводность, а также способность регенерироваться в процессе эксплуатации (механическая очистка фильтров тока­ми газов или жидкостей, химическая, термическая очистка).

Такие фильтры широко применяют в машинах, механизмах и строительных конструкциях для очистки жидкостей от твердых частиц, воздуха и газов от пыли, для регулирования количества протекающих жидкостей и газов. Пористость фильтров для раз­личных целей колеблется от 30 до 60 %. Различные фильтры задерживают частицы размером от 10 до 1мкм.

В ряде случаев применение фильтров из спеченных материалов дает большой экономический эффект, например, установка порис­тых материалов из нержавеющей стали в холодильниках доменных печей позволила перейти на испарительное охлаждение взамен водяного, многократно уменьшить расход воды и увеличить срок службы огнеупоров.

Фильтры изготовляют из порошков железа, стали, бронзы, ти­тана, они могут иметь форму лент, труб, стаканов.

Задание для повторения и закрепления:

1. Для каких работ применяются металлокерамические изделия?

2.Какими способами изготавливаются металлокерамические изделия?

Задание:

Составить план для ответа на раздел «Твёрдые сплавы»

ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

Общие сведения

Пайкой называют процесс соединения металлов и неметаллических материа­лов, находящихся в твердом состоянии, посредством расплавленного присадочного металла, называемого припоем и имеющего температуру плавления ниже тем­пературы плавления основного металла (или неметал­лического материала). Процесс пайки применяется либо для получения отдельных деталей, либо для сборки узлов или окончательной сборки изделий. В процессе пайки происходят взаимное растворение и диффузия припоя и основного металла, чем и обеспечиваются прочность, герметичность, электропроводность паяного соединения. При пайке не происходит расплавления основного металла спаиваемых деталей, благодаря чему резко снижается степень коробления и окисления ме­талла (ГОСТ 17325—71).

Для получения качественного соединения температура нагрева паяемых деталей в зоне шва должна быть на 50…100°С выше температуры плавления припоя. Спаиваемые детали нагревают в печах, в пламени га­зовой горелки, токами высокой частоты, паяльниками. Прочное соединение припоя (сплавление припоя) с ос­новным металлом можно получить лишь в том случае, если поверхности паяемых деталей свободны от окислов и загрязнений.

Для защиты поверхностей паяемых деталей от интен­сивного окисления в результате нагрева место пайки по­крывают флюсом, который образует жидкую и газооб­разную преграды между поверхностями паяемых деталей и окружающим воздухом.

Рис. 19.1. Основные соединения при помощи пайки

1 – стыковое; 2 – внахлёстку; 3 – в ус

Процесс пайки заключается в следующем: при нагре­вании припой расплавляется и, соприкасаясь с нагре­тым, но свободным от окисной пленки основным металлом, смачивает его и расте­кается по его поверхности. Способность припоя запол­нять швы зависит от степе­ни смачивания припоем ос­новного металла, его капил­лярных свойств и шерохова­тости поверхности паяемых деталей (рис. 19.1.)

Припои

К припоям предъявляют следующие требования: вы­сокая механическая прочность припоев в условиях нор­мальных, высоких и низких температур, хорошие элект­ропроводность и теплопроводность, герметичность, стой­кость против коррозии, жидкотекучесть при температуре пайки, хорошее смачивание основного металла, опреде­ленные для данного припоя температура плавления и ве­личина температурного интервала кристаллизации. В зависимости от температуры плавления и прочности применяемых припоев различают низкотемпературную и высокотемпературную пайку.

При низкотемпературной пайке используют припои с температурами плавления ниже 400°С, обеспечиваю­щими получение паяных швов с пределами прочности до10 кгс/мм². Применяют следующие припои: оловянно-свинцовые, малооловянистые, легкоплавкие и специаль­ные.

Припои оловянно-свинцовые (ПОС), имеющие темпе­ратуру плавления t_пл= 183…265°С, представляют собой сплавы олова и свинца с добавкой 1,5…2,5% Sb и обо­значаются ПОССу -4-6, ПОССу -30, ПОССу -50 (цифра по­казывает процент содержания олова).

Низкотемпературные припои (t_пл=60,5…145°С) — сплав олова, свинца, висмута и кадмия. Их применяют в случаях, когда требуется понижение температуры пай­ки из-за опасности перегрева деталей, а также для «сту­пенчатых» (вторых) паек. Механическая прочность припоев незначительна, причем висмутовые припои облада­ют большой хрупкостью.

Алюминийцинковые и алюминийкремнистые припои используют для пайки алюминия и его сплавов. Приме­няют припои на оловянной основе, которые содержат цинк, кадмий и иногда алюминий, а также чистое олово (содержание олова 99,92%), причем лучшими являются оловянно-цинковые, оловянно-кадмиевые и кадмиево-цинковые сплавы (t_пл= 197…310°С), так как цинк и кадмий (особенно цинк) хорошо диффундирует в алюминий. Низкотемпературные припои поставляются в виде чушек, прутков, проволоки, ленты, а также трубок из оловянно-свинцового сплава, заполненных канифолевым флюсом. Применение трубчатых припоев значительно упрощает процесс паяльных работ и способствует его механизации. При этом виде пайки флюсы, как правило, необходимы.

При высокотемпературной пайке применяют припои с температурами плавления выше 400°С: медные (t_пл =1083°С), медно-цинковые (t_пи = 840…900 ^оС), медно-фосфористые (t_пл = 700…830°С), серебрящие (t_пл= 635…870°С) и др.

Высокотемпературные припои подразделяются на ту­гоплавкие с температурой плавления выше 875°С и лег­коплавкие с температурой плавления ниже 875°С. Чистая электролитическая медь (марки М1 и М2) применяет­ся в основном при пайке сталей в печах с защитной средой.

Медно-цинковые припои обеспечивают получение пая­ных швов прочностью примерно в 10 раз большей, чем припои ПОС, их применяют при пайке меди, томпака, латуни, например медных трубок на двигателях, при­меняют медно-цинковые припои и при газовой сварке (пайке) деталей из ковкого чугуна. В качестве медно-цинковых припоев используют также латуни марок Л62 и Л68, а также ПОК 0,6—0,4 для пайки меди и сталей.

Медно-фосфористые припои применяют как замените­ли серебряных припоев и мягких припоев. Их можно ис­пользовать только для пайки медных и латунных деталей, не работающих на изгиб, вибрацию и удар. Пайка меди, медно-фосфористыми припоями осуществляется без флю­са; при пайке сплавов на основе меди флюс необходим. Медно-фосфористые припои нельзя применять для пайки черных металлов, так как они плохо смачивают эти металлы и в пограничных диффузионных слоях образуются хрупкие фосфиды железа.

Наиболее высокое качество получается при высоко­температурной пайке серебряными припоями ПСр72, ПСр45, ПСр25, ПСр25ф, ПСр10, которые можно при­менять для пайки черных и цветных металлов (меди, бронзы, латуни) при условии, если температура плав­ления припоя ниже температуры плавления паяемого металла. При пайке алюминия и его сплавов применяют припои на основе алюминия (Т_ПЛ= 525…580°С): ПАК34А, П575А, П425А.

Вопросы для повторения и закрепления:

1. Что называется пайкой металлов?

2. Какие припои относятся к низкотемпературным?

3. Какие припои относятся к высокотемпературным?

Флюсы

Флюсы должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Температура плавления флюса и его плотность дол­жны быть ниже температуры плавления и плотности припоя.

2. Флюс должен полностью расплавляться и иметь хорошую жидкотекучесть при температуре пайки, но в то же время не должен быть слишком текучим, чтобы не «уходить» от места пайки.

3. Флюс должен своевременно и полностью растворять окислы основного металла, причем флюс должен действо­вать при температуре на несколько градусов ниже темпе­ратуры плавления припоя.

4. Флюс не должен образовывать соединений с основ­ным металлом и припоем, а также поглощаться ими.

5. Флюс должен равномерным слоем покрывать по­верхность основного металла у места пайки, предохраняя его от окисления в продолжение всего процесса пайки. Однако для того, чтобы припой мог сплошным слоем по­крывать поверхность основного металла, необходимо, чтобы адгезия флюса к основному металлу (т. е. силы сцепления между припоем и основным металлом) была слабее, чем адгезия припоя (т. е. силы сцепления между припоем и основным металлом).

6. Флюс не должен испаряться и выгорать при темпе­ратуре пайки, а продукты его разложения и окислы дол­жны вытесняться припоем, легко удаляться после пайки и не вызывать коррозии.

Для пайки низкотемпературными припоями применя­ют кислотные или активные, антикоррозионные, бескис­лотные, активизированные флюсы.

Кислотные или активные флюсы — на основе хлори­стых соединений —интенсивно растворяют окисные пленки на поверхности основного металла и тем самым обеспечивают хорошую адгезию и, следовательно, высо­кую механическую прочность соединения.

Остаток флюса после пайки вызывает интенсивную коррозию соединения и основного металла и поэтому после пайки место пайки нужно тщательно промыть. Для пайки проводников при монтаже электрожгутов автомобилей применять кислотные флюсы категорически запрещается.

К кислотным флюсам относятся хлористый цинк (обычно в виде 30%-ного водного раствора с добавкой 0,6…0,7% свободной соляной кислоты; t_плсоставляет около 263°С), флюс-паста (хлористый цинк или хлори­стый аммоний с соответствующим наполнителем: лано­лин, вазелин, глицерин и т. п.; t_пл= 263° С), флюс «При­ма 1» (раствор хлористого цинк-аммония в смеси воды и этилового спирта с добавкой глицерина, t_пл= 170°С).

Антикоррозионными флюсами являются флюсы на ос­нове фосфорной кислоты с добавлением различных орга­нических соединений и растворителей, а также флюсы на основе органических кислот. Флюсы этой группы не вы­зывают коррозии черных металлов и поэтому после пай­ки не нужно удалять остатки флюса.

Флюс ВТС (смесь технического вазелина с салицило­вой кислотой, триэтаноламином и этиловым спиртом) применяется для пайки меди, латуни, бронзы, константана, серебра, платины и сплавов платиновой группы, Этот флюс особенно удобен для пайки электромонтажных сое­динений, так как он обеспечивает чистоту и надежность пайки и не вызывает коррозии, даже если остается в местах пайки.

Пайка соединений при монтаже электроразводок производится, как правило, бескислотными флюсами на основе канифоли.

Сосновая канифоль представляет собой в основном смесь смоляных кислот. При хранении на воздухе канифоль поглощает кислород, причем поглощение тем боль­ше, чем выше температура. Измельченная канифоль в смеси с воздухом способна взрываться. Температура плавления (размягчения) канифоли колеблется в преде­лах 52…83°С; при 125°Сканифоль переходит в жидкое состояние. Основное достоинство канифоли состоит в том, что в расплавленном состоянии (при температуре 150°С) она способна растворять окислы, а после затвер­девания на паяном соединении остаток флюса не вызы­вает коррозии. Остаток канифоли не гигроскопичен и яв­ляется хорошим изолятором, что также относится к чис­лу достоинств канифоли как флюса для пайки монтажных соединений. Являясь поверхностно активным веществом, канифоль существенно улучшает растекание припоя.

Канифоль относится к флюсам химически мало ак­тивным и может применяться при условии, если детали тщательно подготовлены к пайке, т. е. зачищены или за­лужены.

В качестве флюсов для пайки монтажных соединений применяют натуральную канифоль, а также растворы канифоли в спирте (флюс КЭ и глицерино-канифолевый флюс).

Активированные флюсы на основе канифоли применя­ют для пай