о 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
№ п/п ∙ Компоненты ∙ % вес
1. Натрий тетраборнокислый (бура) 100
2. Бура 50; Борная кислота 50
3. Бура 20; Борная кислота 70; Кальций фтористый 10
4. Бура 70; Борная кислота 20; Кальций фтористый 10