Мягкий припой

Что такое мягкий (легкоплавкий) припой

Припой — это сплав, температура плавления которого ниже температуры плавления соединяемых деталей. При нагреве припой переходит в жидкую фазу, смачивает основной металл, затекает в зазор и после охлаждения образует металлическое соединение.

Мягкими (легкоплавкими) припоями называют припои, предназначенные для низкотемпературной (мягкой) пайки. По классификации ГОСТ 19248-90, мягкая пайка — это пайка при температуре расплавленного припоя не более 450°C. В рамках этой группы выделяют:

• особолегкоплавкие — температура плавления ≤145°C;
• легкоплавкие — температура плавления от 145°C до 450°C.

В отечественной технической литературе широко применяется и традиционная классификация, где граница между «мягкими» и «твёрдыми» припоями проходит по 300°C. Этим объясняется расхождение в справочниках: по ГОСТ 19248-90 граница — 450°C, по ряду отраслевых источников — 300°C. Обе классификации действующие, выбор зависит от отраслевой нормативной документации конкретного производства.

Мягкие припои обеспечивают предел прочности при растяжении паяного соединения в диапазоне 16–100 МПа — существенно ниже, чем у твёрдых припоев (100–500 МПа). Это определяет их назначение: соединение токоведущих элементов, герметизация швов, лужение поверхностей, монтаж термочувствительных компонентов.

Классификация мягких припоев по химическому составу

Основа подавляющего большинства мягких припоев — олово (Sn). Свойства сплава определяются вторым (и третьим) компонентом. По этому признаку мягкие припои делят на следующие группы:

• оловянно-свинцовые (ПОС, ПОССу, ПОСК) — наиболее распространённая группа, регламентируется ГОСТ 21930-76 и ГОСТ 21931-76;
• оловянно-сурьмянистые бессвинцовые (ПОСу) — бессвинцовая группа для производств с жёсткими санитарными требованиями;
• оловянно-медные бессвинцовые (ПОМ) — бессвинцовые припои для трубопроводной арматуры и пищевых систем;
• прочие специальные — оловянно-серебряные (ПОСер), оловянно-висмутовые, оловянно-индиевые; применяются в специализированных процессах с особыми требованиями по температуре или смачиваемости.

Оловянно-свинцовые припои по ГОСТ 21930-76 / ГОСТ 21931-76

ГОСТ 21930-76 распространяется на оловянно-свинцовые припои в чушках, ГОСТ 21931-76 — на те же марки в изделиях (проволока, пруток, лента, трубка с флюсом, порошок). Оба стандарта действующие, неоднократно пересматривались (последнее изменение — 1995 г.). По химическому составу стандарт делит марки на три подгруппы.

Бессурьмянистые марки (серия ПОС и ПОСК)

Не содержат сурьму как легирующий компонент. Обозначение: ПОС-ХХ, где цифра — номинальное содержание олова в процентах. Цифра в наименовании ПОСК означает содержание олова, затем — кадмия (например, ПОСК 50-18: олово 50%, кадмий 18%).

Все оловянно-свинцовые бессурьмянистые припои имеют единую температуру солидуса — 183°C (температура эвтектики системы Sn–Pb). Эвтектический сплав содержит 61,9% Sn и 38,1% Pb. Ближайшие к нему промышленные марки — ПОС-63 (эвтектика, мгновенно переходит из твёрдого в жидкое при 183°C) и ПОС-61 (субэвтектика, ликвидус 190°C). Чем дальше состав от эвтектики, тем шире интервал плавления и тем выше ликвидус.

Кадмийсодержащая марка ПОСК 50-18 — единственный промышленный оловянно-свинцовый припой с температурой ликвидуса ниже 183°C (145°C). Снижение температуры плавления достигается за счёт кадмия (18%).

Малосурьмянистые марки (серия ПОССу с содержанием Sb 0,5%)

Содержат сурьму в количестве 0,4–0,6%. По температурам плавления близки к аналогичным бессурьмянистым маркам. Малое количество сурьмы незначительно изменяет механические свойства, но ограничивает применение с цинком и цинкованными поверхностями.

Сурьмянистые марки (серия ПОССу с содержанием Sb 2–6%)

Содержат сурьму в количестве 1,5–6%. Сурьма повышает механическую прочность и твёрдость, улучшает жаропрочность паяного соединения при умеренном нагреве. Марки ПОССу 4-6 и ПОССу 5-1 применяются для пайки деталей, работающих при повышенных температурах. Важно: сурьма резко ухудшает смачивание цинка и его сплавов — сурьмянистые припои не применяют для пайки оцинкованных изделий.

Таблица основных марок оловянно-свинцовых припоев

Все марки по ГОСТ 21930-76. Для неэвтектических сплавов указан диапазон солидус–ликвидус. ПОС-63 — эвтектический сплав (единственная температура плавления).

Марка	Sn, %	Pb, %	Прочие, %	Солидус, °C	Ликвидус, °C	Основные области применения
ПОСК 50-18	50	32	Cd 18	142	145	Термочувствительные детали, металлизированная керамика, ступенчатая пайка конденсаторов
ПОС-63	63	37	—	183	183	Автоматизированная пайка волной, пайка окунанием, монтаж печатных плат
ПОС-61	61	39	—	183	190	Лужение и пайка радиоаппаратуры, точных приборов, герметичные швы, монтаж медных проводников
ПОС-40	40	60	—	183	238	Пайка электрорадиоаппаратуры, оцинкованного железа с герметичными швами, медные трубки теплообменников
ПОС-30	30	70	—	183	256	Лужение и пайка свинцовых кабельных оболочек, неответственные электротехнические изделия
ПОС-18	18	82	—	183	277	Пайка в электропромышленности, трубопроводы и холодильное оборудование (неответственные узлы)
ПОС-10	10	90	—	183	302	Лужение перед пайкой, заливка электромонтажных соединений, ненагруженные контакты
ПОС-90	90	10	—	183	220	Лужение и пайка внутренних швов пищевой посуды и медицинского оборудования

Примечание: все перечисленные марки имеют солидус 183°C — температуру эвтектики двойной системы Sn–Pb. Ликвидус указан по диаграмме состояния системы Sn–Pb.

Бессвинцовые мягкие припои

Токсичность свинца и его испарений при нагреве приводит к ограничениям в ряде отраслей: пищевое оборудование, медицинская техника, электроника с требованиями RoHS, питьевые трубопроводы. Для этих применений разработаны бессвинцовые мягкие припои с температурами плавления в диапазоне мягкой пайки.

Оловянно-сурьмянистый ПОСу 95-5

Состав по ГОСТ 21930-76: олово 94–96%, сурьма 4–5%, свинец — примесный уровень (не более 0,07%). Температура солидуса — 234°C, ликвидус — 240°C, интервал кристаллизации — 6°C.

Сурьма в количестве 4–5% повышает механическую прочность и твёрдость паяного соединения, улучшает сопротивление ползучести при длительном нагреве. Это делает ПОСу 95-5 пригодным для соединения медных и латунных трубопроводов, работающих при температурах до 180–200°C — область, недоступная для большинства стандартных ПОС-марок.

Технологическая особенность: узкий интервал кристаллизации требует точного контроля температуры паяльника. Рекомендуемая рабочая температура жала — 250–280°C. Смачиваемость несколько ниже, чем у оловянно-свинцовых припоев, что требует обязательного применения активного флюса.

Оловянно-медный ПОМ-3

Состав: олово основа, медь до 3,5%. Температура плавления — 230–250°C. Применяется для пайки медных трубопроводов и фитингов, в том числе в системах горячего и холодного водоснабжения. Паяные соединения устойчивы к длительному воздействию горячей воды и не выщелачивают токсичных компонентов.

Недостаток этой системы — несколько меньшая смачиваемость и прочность шва по сравнению с оловянно-свинцовыми припоями сопоставимой температуры.

Сравнительная таблица бессвинцовых мягких припоев

Марка	Система	Температура плавления, °C	Содержит свинец	Применение
ПОСу 95-5	Sn–Sb	234–240	Нет (примесный уровень)	Электропромышленность, трубопроводы при повышенных температурах
ПОМ-3	Sn–Cu	230–250	Нет	Медные трубопроводы, водоснабжение, сантехника

Физические и механические свойства мягких припоев

Интервал плавления: солидус и ликвидус

Большинство промышленных припоев — неэвтектические сплавы, у которых плавление начинается при температуре солидуса и завершается при температуре ликвидуса. В этом интервале сосуществуют твёрдая и жидкая фазы.

Исключение — эвтектические сплавы: они имеют единственную температуру плавления (солидус = ликвидус). В серии ПОС единственный промышленный эвтектический сплав — ПОС-63 (183°C). ПОС-61 близок к нему, но не эвтектический: его интервал кристаллизации составляет всего 7°C (183–190°C).

Практическое значение ширины интервала: чем шире интервал — тем дольше сплав находится в тестообразном состоянии при охлаждении, тем выше риск «холодной пайки» при механическом воздействии на шов до полного затвердевания.

Механические свойства

Мягкие оловянно-свинцовые припои не являются конструкционными материалами. Их механические свойства определяют надёжность паяного шва, а не несущую способность конструкции. Ориентировочные данные для группы ПОС:

• Предел прочности при растяжении: 16–100 МПа (зависит от состава и режима охлаждения).
• Для ПОСК 50-18 конкретно: σв = 40 МПа, твёрдость по Бринеллю 14 HB.
• Электрическая проводимость оловянно-свинцовых припоев: 9–15% от проводимости чистой меди.
• Плотность ПОС-группы: от 7300 (высокооловянные) до 11 200 кг/м³ (высокосвинцовые).

Прочность паяного шва определяется не только маркой припоя, но и качеством смачивания, толщиной слоя (оптимум для мягких припоев — 0,05–0,2 мм), отсутствием пор и флюсовых включений, состоянием поверхности соединяемых деталей.

Технологические особенности пайки мягкими припоями

Рабочая температура и перегрев

Рабочая температура пайки — температура жала паяльника или ванны припоя — должна превышать ликвидус припоя на 20–50°C для обеспечения достаточной текучести и смачивания. Для ПОС-61 рабочая температура паяльника — 200–220°C, для ПОСу 95-5 — 250–280°C.

Перегрев выше необходимого ускоряет окисление припоя и флюса, растворение медного жала, деградацию изоляции и термочувствительных компонентов. При работе с ПОСК 50-18 перегрев критичен: в деталях, соединяемых по причине термочувствительности, превышение температуры нивелирует само преимущество этого припоя.

Роль интервала кристаллизации в качестве шва

Широкий интервал кристаллизации (характерен для ПОС-40 и ниже) создаёт риск «холодной» или «тестообразной» пайки: если соединение механически нагружено или смещено до того, как ликвидус достигнут при охлаждении, шов образует дендритную структуру с высоким переходным сопротивлением и сниженной прочностью. При визуальном осмотре такая пайка выглядит матовой или зернистой.

Для минимизации этого риска при широком интервале кристаллизации соединение необходимо фиксировать до полного охлаждения шва (ниже солидуса), не допуская смещений.

Флюсы для мягкой пайки

Оловянно-свинцовые припои без флюса не обеспечивают надёжного смачивания — оксидная плёнка на поверхности металла препятствует адгезии. Флюс растворяет оксиды, защищает поверхность от повторного окисления в процессе нагрева и снижает поверхностное натяжение расплава.

Бессвинцовые припои (ПОСу 95-5, ПОМ-3) имеют более высокое поверхностное натяжение, чем ПОС, и требуют более активных флюсов или флюсов, адаптированных к температурному диапазону 230–280°C. Подробнее о видах и составах паяльных флюсов — в разделе флюсы паяльные и сварочные.

При ступенчатой пайке (последовательное соединение нескольких узлов) марки подбирают в порядке убывания температуры плавления: первыми паяют высокотемпературными, последними — низкотемпературными, чтобы не расплавить уже готовые швы.

Паяемые металлы

Мягкие оловянно-свинцовые припои хорошо смачивают медь, латунь, бронзу, никель, луженые поверхности, серебро и его сплавы. Пайка стали требует более активного флюса. Пайка алюминия стандартными ПОС-припоями невозможна — требуются специализированные системы. Оцинкованные поверхности не совместимы с сурьмянистыми ПОССу-припоями.

Области применения в промышленности

Мягкие припои применяются практически во всех отраслях промышленности, где требуется соединение металлических элементов без значительных механических нагрузок при рабочей температуре изделия:

• Электронная промышленность: монтаж радиоэлементов на печатные платы, пайка проводников, лужение контактных поверхностей. Доминирующие марки — ПОС-61, ПОС-63 (или их бессвинцовые аналоги ПОСу 95-5, ПОМ-3 при требованиях RoHS).
• Приборостроение: пайка точных приборов, герметизация швов. Требование — минимальный интервал кристаллизации и высокая стабильность состава. ПОС-61, ПОС-63.
• Электротехника: пайка кабельных соединений, свинцовых кабельных оболочек, обмоток. ПОС-30, ПОС-40, ПОСу 95-5.
• Трубопроводные системы: соединение медных труб и фитингов теплообменников, систем охлаждения, трубчатых радиаторов. ПОСу 95-5, ПОМ-3 для питьевого водоснабжения; ПОС-40, ПОССу 4-6 для промышленных контуров.
• Автомобилестроение: пайка радиаторов охлаждения, топливных систем, электрических жгутов. ПОСу 95-5, ПОС-40.
• Пищевая и медицинская промышленность: лужение и пайка внутренних поверхностей, контактирующих с пищевыми продуктами или биологическими средами. ПОС-90 (высокое содержание олова, пищевой статус олова регламентирован).
• Полупроводниковое производство, пайка конденсаторов: ступенчатая пайка термочувствительных компонентов. ПОСК 50-18.
• Электроламповое производство: лужение и пайка контактных элементов, цоколей. ПОСу 95-5.

Сырьём для производства оловянно-свинцовых припоев служат чистое олово и чистый свинец квалификационных марок, что напрямую влияет на соответствие состава требованиям ГОСТ.

Формы поставки мягких припоев

Оловянно-свинцовые припои по ГОСТ 21931-76 поставляются в изделиях следующих форм:

• Чушка — крупный слиток по ГОСТ 21930-76, масса до 30 кг. Используется как полуфабрикат для паяльных ванн, волновой пайки, лудильных ванн с расплавом припоя.
• Пруток — диаметр 7–15 мм, длина 400 мм. Удобен для ручной пайки крупных деталей, подачи в ванну расплава.
• Проволока — диаметр 0,5–6 мм. Применяется при ручном монтаже паяльником, в автоматических системах подачи, в паяльных станциях с катушечным питанием.
• Трубка с флюсовым наполнителем — проволока с каналом, заполненным флюсом (как правило, канифолью). Обеспечивает одновременную подачу припоя и флюса при ручной пайке; удобна при мелкосерийном и единичном производстве.
• Лента и фольга — толщина от 0,8 мм, ширина 8–15 мм. Применяется при пайке плоских поверхностей, контакторов, при пайке в прессах.
• Порошок — используется в составе паяльных паст для трафаретной печати и последующего оплавления в печи.

Выбор формы поставки определяется технологическим процессом: тип пайки (ручная, волновая, оплавление), степень автоматизации, требования к дозировке и производительности. Для автоматизированной групповой пайки предпочтительны чушки (для ванн) или порошок в пастах; для ручного монтажа — проволока или трубка с флюсом.

Маркировка и условное обозначение

Расшифровка обозначений по ГОСТ 21930-76:

• ПОС — Припой Оловянно-Свинцовый; цифра — содержание олова в %.
• ПОССу — Припой Оловянно-Свинцовый Сурьмянистый; первая цифра — Sn%, вторая — Sb%.
• ПОСК — Припой Оловянно-Свинцово-Кадмиевый; первая цифра — Sn%, вторая — Cd%.
• ПОСу — Припой Оловянно-Сурьмянистый (бессвинцовый); цифры — Sn% и Sb%.
• ПОМ — Припой Оловянно-Медный; цифра — Cu%.

Пример условного обозначения изделия: «Припой Прв КР 2,0 ПОС-61 ГОСТ 21931-76» — проволока круглого сечения диаметром 2,0 мм марки ПОС-61.

Критерии выбора марки мягкого припоя

При подборе марки технолог последовательно оценивает следующие параметры:

• Допустимая температура нагрева соединяемых деталей — определяет верхнюю границу допустимого ликвидуса припоя. Для термочувствительных компонентов, не выдерживающих нагрев выше 160–170°C, единственным вариантом остаётся ПОСК 50-18.
• Рабочая температура готового изделия — паяное соединение не должно терять прочности при штатной эксплуатации. Мягкие оловянно-свинцовые припои надёжно работают до 100°C. Для трубопроводов при 180–200°C — ПОСу 95-5.
• Требования по токсичности и экологии — наличие свинца в составе ограничивает применение в пищевой, медицинской отраслях и при требованиях RoHS. В этих случаях выбирают ПОС-90, ПОСу 95-5 или ПОМ-3.
• Паяемый металл — сурьмянистые марки не применяют с цинком и оцинкованными поверхностями; для стали нужен более активный флюс; алюминий требует специализированных систем.
• Способ пайки — для автоматизированной пайки волной предпочтителен ПОС-63 (эвтектика, нет тестообразной фазы); для ступенчатой пайки подбирают марки с разными температурами ликвидуса.
• Требуемая механическая прочность шва — внутри группы мягких припоев прочность растёт при добавлении сурьмы (ПОССу, ПОСу). Для конструкционных нагрузок мягкие припои в принципе не применяют — это зона твёрдых припоев.