Лестницы. О домашнем инкубаторе. Окна - глаза дома ("Сделай сам" №4∙2006)

Пайка твердыми припоями

Вопрос:

Ответ:

Е.В. Кубасов, г. Набережные Челны.

Пайка — технологический процесс получения неразъемного соединения металлических предметов между собой путем заполнения промежутка другим расплавленным металлом (припоем) при условии хорошей смачиваемости этим жидким металлом (припоем) поверхностей соединения. По остывании паяного шва происходит кристаллизация припоя и прочное сцепление соединяемых предметов. Температура плавления припоя всегда должна быть меньше температуры плавления соединяемых предметов. Поэтому при пайке не происходит оплавление поверхностей соединяемых предметов. В этой особенности заключается главное, основополагающее отличие пайки от другого распространенного процесса — сварки, при которой происходит обязательное расплавление поверхностей или кромок соединяемых предметов.

Пайка — один из наиболее древних технологических процессов соединения предметов между собой в единое целое. Во многих музеях можно видеть предметы, изготовленные несколько тысяч лет назад с явным наличием паяных швов. Несмотря на столь древнее происхождение процесса, пайка в наши дни не только не отходит на второй план по значимости, но и получает всё новые и новые способы применения в совершенно разных, порой неожиданных областях и сферах производства.

В общем виде процесс пайки, причем независимо от применяемого припоя — легкоплавкового или тугоплавкового, происходит следующим образом: хорошо зачищенные, обезжиренные и освобожденные от окислов металлические предметы, подлежащие пайке, соединяют с наиболее возможной плотностью между собой, прогревают каким-либо способом до температуры плавления припоя и наносят необходимую порцию последнего на спаиваемый шов. Под действием температуры нагретых деталей припой плавится и растекается по поверхности предметов, заполняя спаиваемый шов. Во время пайки вплоть до остывания должна обеспечиваться неподвижность предметов относительно друг друга.

Здесь стоит сделать отступление по поводу одной ошибки, которую часто делают неопытные паяльщики. Не зная основного обязательного к выполнению правила — прогревать место пайки до температуры плавления припоя, наносят припой на шов и расплавляют его, пытаясь «промазать» место пайки нагревательным прибором — паяльником при пайке оловянно-свинцовым припоем или паяльной лампой при пайке твердым припоем, не дожидаясь нормального прогрева соединяемых предметов. Паяный шов получается при этом неровный, «кочковатый», ну и, как следствие, совершенно непрочный. Припой сам «покажет», когда спаиваемые детали прогрелись до нужной температуры. Он начинает смачивать шов и растекаться «живой», подвижной струйкой, заполняя все щели и неровности спаиваемых предметов. Остывший шов получается гладким и блестящим, не требующим никакой дополнительной обработки. То есть основной смысл заключается в том, что припой должен плавиться не инструментом пайки, а нагретыми до необходимой температуры спаиваемыми предметами.

Возможен также случай, когда применяемый для пайки прибор не обладает достаточной мощностью и не в состоянии прогреть спаиваемые предметы. Любой применяемый для паяльных работ инструмент должен достаточно быстро прогревать место пайки. Нельзя пропаять шов банного тазика из оцинкованного железа электрическим паяльником мощностью 40 ватт. Даже 100-ваттный не даст достаточного количества тепла для хорошо пропаянного шва. Здесь нужен паяльник «топориком» с большим массивным жалом мощностью не менее 150 ватт.

Выше сказано, что спаиваемые поверхности должны быть зачищены и освобождены от окислов для хорошей смачиваемости припоем места пайки. Но всем известно, что при нагревании почти все металлы начинают покрываться пленками окислов. При этом, чем до большей температуры мы греем детали, тем интенсивнее кислород воздуха взаимодействует с поверхностью металлов. Это явление является основной помехой, «камнем преткновения» при любых видах паяльных работ. Поэтому для преодоления этой неприятности разработаны такие методы пайки, как ультразвуковая, вакуумная, абразивная, пайка в нейтральной газовой среде, пайка в активной газовой среде, флюсовая. Так они называются по методу зашиты от окисления, или по методу удаления окисной пленки. Мы будем рассматривать последний, флюсовой, так как прочие возможны только при наличии достаточно сложного специального оборудования.

Процессы пайки подразделяются также по приборам и приспособлениям, применяемым для получения необходимого количества тепла нужной температуры. Пайка может выполняться паяльниками газовыми, плазменными, бензиновыми горелками; в нагревательной печи; погружением в расплавленный припой; волной припоя; в кузнечном горне. Разработаны сравнительно новые методы — индукционная пайка, пайка электронным лучом, инфракрасным лучом, лазерным лучом и некоторые другие. Практический интерес для нас определяется доступностью процесса. Это пайка паяльниками, горелками и, возможно, пайка в муфельных печах и горнах при доступности последних.

Как было выше сказано, соединительными материалами служат припои, представляющие собой за некоторым малым исключением сплавы различных металлов. В настоящее время известно довольно большое количество припоев, отличающихся друг от друга химическим составом, температурой плавления и затвердевания, механической прочностью, способностью смачивать разные металлы.

По температуре плавления припои подразделяются на: особо легкоплавкие с температурой плавления меньше 145 °C, легкоплавкие — от 145 до 450 °C, среднеплавкие — от 450 до 1100 °C, высокоплавкие — от 1100 до 1850 °C, тугоплавкие — выше 1850 °C. Нас с вами, занимающимся техническим творчеством в своей домашней (или, может быть, гаражной, сарайной) мастерской, интересуют вторая и третья группы. Легкоплавкие припои применяются при пайке всем известными электрическими паяльниками, в массовом производстве — при пайке волной и некоторых других технологиях. Среднеплавкие — это как раз те припои, пайке которыми посвящается эта статья.

Припои классифицируются (и во многих случаях называются) по основному компоненту: серебряные, медные, оловянные, цинковые, золотые.

К среднеплавким относятся медные, медно-цинкопые, серебряные, золотые припои. Ниже приводится таблица с составными частями и свойствами твердых среднеплавких припоев. Таблица заимствована из книги «Советы заводскому технологу» (Попилова Л.Я).

В таблице приведены наиболее распространенные припои общего назначения. По маркировке припоя можно судить о его химическом составе. Так, все серебросодержащие припои обозначаются буквами ПСр, что означает «припой серебряный», следующая цифра — процентное содержание серебра. ПМЦ — припой медно-цинковый, цифра показывает процент содержания меди. Чистая медь обладает хорошей смачиваемостью, поэтому может служить хорошим припоем для пайки стальных деталей. Но температура ее плавления 1083 °C, что не всегда годится для пайки. Добавив 8 % фосфора, резко снизим температуру плавления до 705 °C, обозначение этого припоя — ПМФ8. Чистое серебро является очень хорошим припоем с отличной смачиваемостью и текучестью. При пайке серебро проникает во все микротрещины и поры, создавая прочный эластичный шов.

Приведенный в таблице набор припоев охватывает практически весь диапазон паяльных работ, потребность в которых может возникнуть в творческой деятельности мастера-любителя. Так, припои № 19, 21, 23, 26, 40, 41, 42 применяются для пайки деталей из меди и ее сплавов при требовании повышенной прочности шва. Припой № 33 предназначен для пайки изделий из нержавеющих сталей. Припоем № 20 паяют низколегированные стали, а также серебро, вольфрам, платину. Хромистую сталь можно паять припоями № 19, 23.

Рассмотренные припои хороши, но у всех есть один существенный недостаток: где их взять? Если припои ПОС (оловянно-свинцовые для пайки паяльником) продаются во многих магазинах хозтоваров или торгующих радиодеталями, но приобретение твердых припоев выливается иногда в трудноразрешимую задачу. Выход из проблемы заключается в приготовлении припоя с нужными параметрами самостоятельно. Конечно, не все припои можно сделать в потном соответствии с приведенной рецептурой. Такие компоненты, как фосфор (Р), кадмий (Cd), марганец (Mn) на дороге не валяются. Все эти вещества являются присадками, придающими те или иные свойства припоям: улучшение текучести, смачиваемости, понижение температуры плавления и некоторые другие. Для наших целей можно обойтись без них, тем более, что основные компоненты дефицитом не являются.

Медь — все обмоточные провода делаются из меди с весьма высокой степенью очистки. Освободите от эмали — и один компонент готов. Цинк — обратите внимание на цинковые стаканчики гальванических элементов, они изготовлены из химически чистого цинка. Серебро — возьмите из серванта столовую ложку из серебра 999 пробы, авось домашние не догадаются, куда это одна ложка пропала? В поисках пропажи примите самое активное участие, заглядывая с озабоченным видом под диваны и в мусорное ведро.

Из этого набора можно приготовить припои.

В этой таблице припой № 1 «выбивается» из общего ряда. Он не содержит в своем составе медь, вместо нее включено олово. Но всё равно этот припой относится к группе твердых среднеплавких.

Рассмотренные припои не исчерпывают весь очень многочисленный ассортимент. Во многих отраслях различных производств применяются свои специфичные припои, свойства которых удовлетворяют каким-то особым требованиям. В ювелирном деле, например, находит применение целый ряд припоев на основе серебра и золота при изготовлении изделий из серебра, золота, платины и некоторых других драгоценных металлов.

Небольшое количество припоя можно сплавить в домашних условиях под пламенем горелки в керамическом тигле (если такой имеется). При его отсутствии воспользуемся столовой ложкой из нержавейки. Просто в неподготовленной ложке плавить металл не совсем удобно Ложка — это теплорассеивающий радиатор. Ее надо хорошо раскалить, чтобы начался процесс плавки. Может не хватить мощности горелки. Да и манипулировать с раскаленной ложкой не совсем удобно. Поэтому ложку «отфутерусм», то есть выложим ее листовым асбестом. Вырезанный кусочек асбеста намочим водой и прижмем его к дну ложки. Края загнем по всему периметру и оставим до полного высыхания. Получится мини-тигель, вполне пригодный для мини-плавки металла.

Высохшую ложку начинаем греть пламенем горелки. Не прерывая прогревание, положим немного буры, желательно предварительно обезвоженной, и греем до ее расплавления (это произойдет при температуре 740 °C). Не прекращая нагрев, положим в ложку порцию предварительно развешанной по нужному рецепту шихты. Шихта — это смесь кусочков металлов, подготовленных для сплавления в тигеле. Бура — это флюс, способствующий расплавлению шихты и удаляющий окислы металлов. Подробнее о флюсах поговорим в следующей главе.

Плавку можно вести, заложив не все компоненты сразу, а поочередным внесением их металлов в тигель. Причем первым расплавляется металл с меньшей температурой плавления. То есть, готовя припой ПСр70, сначала плавим 7 г серебра, добавляем 2,6 г меди. Цинк нужен в малом количестве, всего 0,4 г, поэтому кладем его в последнюю очередь.

В случае приготовления ПМЦ47 плавим сначала 5,3 г цинка, затем в расплавленным цинк добавляем 4,7 г меди.

Припой удобно применять в виде тонких прутков. Поэтому после полного расплавления получившегося припоя осторожно выльем его в изложницу, смазанную воском. Изложница — это литейная формочка в виде продолговатой канавки любого профиля, выфрезерованная в металлическом бруске, лучше всего в чугуне. Стенки канавки должны быть достаточно гладкими и с некоторым расширением к поверхности бруска, чтобы отливку можно было легко извлечь после остывания. Можно не дожидаться остывания, а погрузить изложницу в холодную воду и вынуть готовый пруток припоя.

Никто не запрещает, при отсутствии изложницы, просто вылить готовый сплав на какую-либо ровную поверхность. Получится тонкий блин из припоя. Но всё же с тонким прутком работать удобнее.

Выше говорилось, что поверхности практически всех металлов подвержены окислению кислородом воздуха. Процесс окисления ускоряется при повышении температуры. Получающиеся пленки окислов препятствуют пайке, иногда до такой степени, что пайка становится невозможной. Для зашиты от окисления поверхностей металлов во время пайки применяют специальные составы из одного или нескольких химических веществ, наносимые на место пайки. По своему действию на металл различаются флюсы пассивные, которые только защищают поверхность от окисления, и активные. Последние не только защищают, но и энергично растворяют окисные пленки, способствуя прочному сцеплению припоя с паяемым металлом.

По консистенции флюсы бывают жидкие, пастообразные и твердые. Особенно велико разнообразие флюсов для пайки мягкими, оловянно-свинцовыми припоями. Для пайки среднеплавкими припоями применяются в основном твердые порошкообразные флюсы, плавящиеся при высокой температуре. Самым распространенным и наиболее ходовым флюсом, применяемым практически со всеми твердыми припоями, является бура. Химическая формула — Na₂B₄О₂ — безводный реактив, или Na₂B₄О₇∙10Н₂О — кристаллическая форма, содержащая в своем составе воду. Для применения ее в качестве флюса сначала надо обезводить, прокалив при температуре 400–450 °C. Необезвоженная бура при нагреве начинает вспучиваться, теряя кристаллизационною воду, что мешает при пайке. Обезвоживать можно в чугунной сковороде, нагревая на газовой плите. Бура является активным флюсом, не только защищающим место пайки, но и растворяющим окислы. Применять ее можно в виде порошка, посыпая место пайки, или в виде кашицы, разведя ее небольшим количеством воды.

Ниже приведены еще несколько рецептов флюсов, применимых при пайке твердыми припоями.

Таблица 3

Все химреактивы можно приобрести в соответствующем магазине.

Любая работа для ее успешного выполнения требует определенных навыков и соблюдения некоторых правил. Испеченный «первый блин» комом не должен смущать и заставлять опускать руки. Тщательный анализ своих действий и допущенных ошибок позволит достичь намеченного.

Итак, о последовательности и правилах при пайке твердыми (среднеплавкими) припоями. Будем исходить из того, что припой в наличии, флюс приготовлен, детали, ждущие спайки — на рабочем столе. Нелишне напомнить, что паяльные работы проводятся на негорючем столе. Можно подложить лист асбеста. Приступим.

1. Приготовленные для пайки детали тщательно зачистим от смазки, грязи, следов старой краски, ржавчины и других окислов. Для этого могут применяться моющие средства, растворители, скальпели, шаберы, надфили, напильники, абразивные бумаги и ткани (шкурки). Выбор средства зависит от деталей и их состояния.

2. Возможно плотнее соединяем детали в нужном положении и обеспечиваем их неподвижность. Применение для этой цели массивных металлических предметов (струбцин, тисков и т. п.) нежелательно, так как они будут отбирать значительную часть тепла, что затруднит пайку или даже сделает ее невозможной. Можно связывать и скручивать детали тонкой стальной проволокой.

3. Разжигаем источник факела (горелку, паяльную лампу), регулируем пламя, чтобы оно было синим и гудящим.

4. Разместим скрепленные детали на асбестовом листе, а еще лучше — на специальной подставке из стальной сетки, согнутой в виде коробочки.

5. Направив факел на детали, начинаем прогревать их. Причем греть надо больше ту деталь, которая более массивна.

6. Подогретые детали посыпаем порошком флюса. Если детали достаточно прогреты, флюс начнет плавиться и растекаться по поверхности. Всё это делаем оперативно, не прерывая нагревание. Как только флюс полностью расплавится, что будет означать достаточный прогрев, прутком припоя проводим по месту пайки. Это делается под направленным на место спая факелом. Припой должен начать плавиться и заполнять шов.

В этом месте стоит сделать отступление и рассмотреть несколько способов нанесения флюса и припоя на место пайки.

Второй способ такой же, как только что рассмотренный. Разница в том, что порошок флюса наносим на холодные детали и начинаем греть. Преимущество — флюс начинает защищать место пайки быстрее, не давая возникать окислам. Неудобство — направленное пламя горелки сдувает флюс. Нагрев до начала расплавления флюса приходится делать очень осторожно «мягким» желтым факелом. Только после начала плавления и прилипания флюса увеличиваем подачу воздуха в горелку для получения мощного гудящего факела.

Разновидность второго способа, как упоминалось выше, заключается в том, что порошок флюса разводим небольшим количеством воды и кисточкой промазываем место пайки. Здесь может возникнуть вопрос: зачем прокаливать буру для ее обезвоживания, если потом водой разводить? Дело в том, что прокаленная обезвоженная бура не переходит в водосодержащее кристаллическое состояние и не вспучивается при нагреве. Просто мокрый флюс прилипает к металлу и не сдувается пламенем.

Третий способ. Мелко нарезанные кусочки припоя накладываем вместе с флюсом на холодные детали и после этого начинаем греть. Так поступают при пайке достаточно крупных предметов в муфельных печах или кузнечных горнах.

Четвертый способ, часто используемый в ювелирном деле при пайке накладной филиграни, заключается в том, что опилки припоя, нарезанные напильником с крупной насечкой, смешиваем с порошком флюса в соотношении примерно 1:1 и этой смесью посыпаем место пайки.

Спаянное изделие, не дожидаясь остывания, можно погрузить в холодную воду. При этом остатки расплавленного флюса растрескаются и отпадут с места пайки, облегчив дальнейшую очистку изделия от ненужных шлаков.

В заключение еще одно правило: качественно выполненный паяный шов получается не при использовании чрезмерно большого количества припоя. Он должен только заполнять промежутки между деталями. Лишние наплывы и «ляпки» прочности и красоты паяному изделию не придают.

Вот, пожалуй, и все минимально необходимые сведения о пайке среднеплавкими твердыми припоями, «пайке медью».

_{Литература}

_{1. Винников И.З. Паяльные работы — М.: Высшая школа, 1979.}

_{2. Воскресенский П.И., Парменов К.Я., Цветков Л.А., Эпштейн Д.А. Справочник по химии. — М.: Просвещение. 1970.}

_{3. Ерлыкин Л.А. Практические советы радиолюбителю. — М.: Изд-во Министерства обороны, 1975.}

_{4. Карякин Ю.В., Ангелов И.И. Чистые химические вещества. — М.: Химия, 1974.}

_{5. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитическом химии. — М.: Химия, 1967.}

_{6. Новиков В.П., Павлов В С. Ручное изготовление ювелирных украшений. — М.: Политехника. 1991.}

_{7. Попилов П.Я. Советы заводскому технологу. — Л.: Лениздат. 1975.}

_{8. Рамазанова Р.У. 10 уроков филиграни. — М.: Профиздат. 1998.}

_{9. Флеров А.В. Художественная обработка металлов. — М.: Высшая школа, 1976.}