Анализ новых технологий пайки металла

 

 

                                    

                                            Содержание 

Введение……………………………………………………………………….3

1. Основы теории  пайки металлов…………………………………………5

1.1. Характерные  особенности и сущность процесса………………………..5

1.2. Пайка как  сложный физико-химический процесс……………………....9

1.3. Технологические  способы пайки металлов…………………………….15

2. Технологии пайки  металлов…………………………………………….24

2.1.Технологические  аспекты процесса пайки……………………………...24

2.2. Технологии  пайки нового поколения…………………………………...27

3.Иновационные  технологии……………………………………………… 33

Заключение…………………………………………………………………..34

Список  использованной  литературы…………………………………….36

Приложения…………………………………………………………………..38 
 

 

                                                Введение                                            

     Задача  соединения различных металлов и  сплавов стоит перед человечеством очень давно. В процессе развития научной мысли удалось достигнуть многого в этом направлении. Быстрота, экономичность и прочность — вот главные преимущества, которые позволили пайке получить широкое признание во всех областях народного хозяйства. Сейчас можно сваривать металл толщиной от нескольких микрон (микроплазменная сварка на малых токах) до нескольких метров (сварочные автоматы промышленного применения). Такими же достоинствами обладает и резка металлов на основе использования электрической дуги и газового пламени. Но чем дальше, тем больше на первое место выходят такие перспективные направления, как лазерная, плазменная, электронно-лучевая плавка и резка металлов. Большие перспективы у воздушно-плазменной резки из-за ее дешевизны и эффективности. Степень автоматизации таких процессов достаточно высока.

     Актуальность  курсовой работы определяется тем, что  в современном производстве существуют различные системы процессов формирования изделий. Особенно важное значение имеет формирование изделий из твердых кристаллических тел путем их соединения, разъединения, сращивания, наращивания и разделения. Эти процессы могут быть осуществлены как без расплавления твердых тел, так и с их плавлением.

     В соответствии с определением пайки  температура ликвидуса припоя или  его легкоплавкой составляющей (при металлокерамической пайке) должна быть ниже температуры солидуса паяемого металла.

     Степень изученности. Существенным вкладом в пайке металлов стали работы таких ученых, как Г.А. Абрамова, А.И. Рубина, А.М. Дальски, П. Клейна, О.В. Левадного, Н.Ф. Лашко.

     Объектом  курсового проекта является пайка металлов, предмет исследования - новые технологии пайки металлов. 

 

      Целью курсовой работы является характеристика и анализ новых технологий пайки металла.

     Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:

     1)      дать характеристику пайки металла;

     2)      охарактеризовать виды пайки;

     3)      рассмотреть технологический процесс  пайки металлов.

     Структура курсовой работы. Курсовая работа, включает в себя: введение, раздел I. Основы теории пайки металлов. Раздел П. Технологии пайки металла, заключение и список источников и литературы. 

 

     

              1. Основы теории пайки металлов

1.1. Характерные особенности  и сущность процесса

     В зависимости от температуры плавления  и прочности применяемых припоев пайка разделяется на мягкую и твердую. При мягкой пайке используют сравнительно легкоплавкие припои с температурами плавления не выше 300° С, которые обеспечивают получение паяных швов с пределами прочности от 3 до 10 кг/мм2. При твердой пайке применяют припои с температурами плавления выше 300—400° С; прочность паяных соединений в этом случае достигает 30— 50 кг-/мм².

     Общим для процессов пайки черных и  цветных металлов является 
обязательное выполнение следующих условий, которые предопределяют 
возможности пайки и ее качество: Очистка поверхности деталей от пыли, жира, 
краски и выбор флюса, обеспечивающего активное растворение окисной 
пленки на поверхности основного металла и припоя. Окисная 
пленка является главным препятствием пайке, а ее свойства, 
толщина и скорость образования неодинаковы, для различных 
металлов. [1]

     Выбор состава припоя способного смачивать  и растворять твердый металл паяемых  деталей с образованием оптимального внутреннего строения паяного шва. Обеспечение между соединяемыми поверхностями гарантийных зазоров, величина которых не противоречит известным законам течения жидкостей по капиллярам и способствует повсеместному затеканию припоев. Равномерный нагрев деталей до температуры на 50—100° С, превышающей точку начала затвердевания соответствующего припоя.

     Процесс пайки заключается в следующем: по достижении соответствующей температуры припой расплавляется и, соприкасаясь с

нагретым, но свободным от окисной пленки основным металлом, смачивает и растекается по его поверхности. Смачивание твердого металла жидким припоем происходит в том случае, если сила сцепления между молекулами твердого тела и жидкостью будет больше, чем между молекулами самой жидкости. Возможность смачивания определяется в основном поверхностным натяжением жидкого припоя. В результате растворяющего действия жидкого припоя в местах смачивания основной металл деталей растворяется в припое. Благодаря процессу растворения на границе «твердый металл — жидкий припой» образуется слой насыщенного раствора, из которого частицы основного металла диффундируют в припой, а его частицы в основной металл. Взаимное проникновение одного металла в другой приводит к тому, что в паяном шве образуется определенная промежуточная структура сплава, механические свойства которого отличны от основного металла и припоя.

     Процессы  растворения и взаимной диффузии металлов имеют решающее значение для получения оптимального строения паяного шва. Благодаря им структура паяного шва может представлять твердый раствор основного металла в припое или же их химическое соединение. Образование твердого раствора в паяном шве является наиболее желательным для придания шву прочности и устойчивости против коррозии.

     К выбору состава припоя для пайки  металла следует подходить с  учетом его способности смачивать и растворять твердый металл, обеспечивать взаимную диффузию и образовывать в паяном шве структуру твердого раствора.

     По  коэффициентам теплового расширения припои и соединяемые ими металлы должны быть максимально близкими, в противном случае напряжения, возникающие в паяных швах, могут привести к трещинам.[4] Перед пайкой поверхность деталей и припоя необходимо очистить от пыли, жира, краски и

окисной пленки. Удаление внешних загрязнений (пыли, жира и краски) не представляет трудностей. Но после очистки поверхность всех металлов, в том числе и припоя, имеет окисную пленку, толщина и свойства которой различны для отдельных металлов и сплавов. При пайке окисная пленка не позволяет расплавленному припою войти в контакт с чистым металлом деталей: припой не смачивает и не растекается по поверхности основного металла.

     Для очистки поверхностей деталей и  припоя от окисных пленок и для  предохранения очищенных поверхностей от повторного окисления наиболее широко применяют химические реагенты, получившие названия паяльных флюсов. По характеру действия на окисную пленку флюсы разделяют на две группы. К первой относят флюсы, которые активно воздействуют на пленки и, растворяя их, создают условия для беспрепятственного контакта жидкого припоя с основным металлом. Примером таких флюсов могут служить хлористый цинк, хлористый аммоний, борная кислота, бура, тетрафторборат калия, флюсы ЛТИ, 34А, Ф380А, Ф59А и др. [5]

     Флюсы второй группы во время нагрева и  пайки почти не взаимодействуют с окисными пленками металлов, а служат лишь для защиты от повторного окисления поверхности металла, ранее очищенной от окисной пленки. К флюсам этой группы относятся канифоль, ее растворы в спирте, парафин и др.

     Помимо  флюсов, для предотвращения окисления  металла и удаления с его поверхности окисных пленок нагреваемый металл изолируют от окисляющей среды и создают условия для восстановления ранее образовавшихся окисных пленок. Практически это достигается тем, что нагрев и пайку производят в восстановительной атмосфере или под вакуумом. Восстановительной средой может быть водород или диссоциированный аммиак, легко восстанавливающие металлы из окисных пленок. Перечисленные способы удаления окисных пленок должны обеспечить свободный доступ жидкому припою для смачивания поверхности основного металла в процессе его нагрева и пайки. Смачивание и растекание жидкого припоя неразрывно связаны с явлениями капиллярности, благодаря которым достигается затекание припоя в зазоры на глубину десятков миллиметров. Все эти явления подчиняются общим физическим законам течения жидкостей по капиллярам. Как известно, высота поднятия жидкости в капилляре пропорциональна поверхностному натяжению ее и обратно пропорциональна радиусу капилляра и плотности жидкости.

     Применительно к пайке определенным припоем  при заданной температуре поверхностное  натяжение и плотность жидкого  припоя являются величинами постоянными. Следовательно, решающей в затекании припоя будет величина радиуса капилляра, или иначе — величина зазора между соединяемыми поверхностями деталей, которая меняется в зависимости от назначенных допусков, точности подгонки деталей и коэффициента линейного расширения металла. [15]

     На  затекание припоя и образование  нормальных галтелей (менисков) наряду с величиной зазоров существенно влияют тип шва, технологические припуски, фаски, отсутствие заусениц и возможность свободного расширения соединяемых деталей при температуре пайки.

                  1.2. Пайка как сложный физико-химический процесс

     Пайка - сложный физико-химический процесс  получения соединения в результате взаимодействия твердого паяемого (основного) и жидкого присадочного металла (припоя). Паяное соединение неоднородно по строению и составу. Паяный шов включают в себя спаи, диффузионные зоны и место припоя кристаллизовавшегося в зазоре между деталями с при кристаллизованными ионами.

     Пайка - процесс соединения материалов, находящихся  в твёрдом состоянии, расплавленным припоем. При пайке происходят взаимное растворение и диффузия основного материала и припоя, который заполняет зазор между соединяемыми частями изделия. В результате пайки получают неразъёмные соединения в изделиях из стали, чугуна, стекла, графита, керамики, синтетических и др. материалов. Многочисленные способы пайки классифицированы государственными стандартами по средствам нагрева, условиям заполнения зазора, методам очистки поверхности, образованию шва и др. [13] Наиболее распространена пайка металлов, которую условно делят на пайку твёрдыми и мягкими припоями. При пайке твёрдыми припоями нагрев мест пайки осуществляют газовыми горелками, электрической дугой, токами высокой частоты в муфельных, туннельных и др. печах. Пайка мягкими припоями производят паяльниками, газовыми горелками, погружением в ванны с расплавленным припоем и др.

     Спай - переходный слой, образующийся в результате вследствие физико-химического взаимодействия расплавленного припоя с паяемым металлом. Контактная поверхность плавится в результате теплообмена с припоем. Диффузионная зона - результат взаимной диффузии припоя и паяемого металла. При кристаллизованная зона - результат концентрирована в области спая тугоплавких компонентов при кристаллизации расплава.

         Прочностные характеристики паяного соединения определяется возникновением химических связей между пограничными слоями припоя и паяемого металла (адгезией), а также сцеплением частиц внутри припоя или паяемого металла между собой (когезией).

Особенности процесса кристаллизации вызваны:

- малым  зазором (0,05.. .0,07 мм) между деталями;