Олово-свинец

Оловянно-свинцовые сплавы — группа легкоплавких металлических материалов на основе олова (Sn) и свинца (Pb) с содержанием олова от 4 до 90% по массе. Это один из наиболее широко применяемых классов сплавов в промышленности: мягкие припои серии ПОС, расходуемые аноды для гальваники, а также функциональные покрытия технического назначения. Выбор конкретной марки определяется температурным режимом пайки, требованиями к качеству соединения и условиями эксплуатации.

Диаграмма состояния Sn–Pb и физические свойства

Система олово–свинец имеет простую эвтектическую диаграмму состояния без промежуточных фаз и интерметаллических соединений. Ключевая точка — эвтектика состава 61,9% Sn / 38,1% Pb с температурой плавления 183,3 °C. При любом другом соотношении компонентов сплав имеет двухфазный температурный интервал кристаллизации (между солидусом и ликвидусом): начало плавления при 183 °C, полное расплавление — при температуре ликвидуса, которая зависит от марки.

Это технологически важно: в интервале солидус–ликвидус сплав находится в пастообразном состоянии. Марки с широким интервалом (например, ПОС-10: 183–299 °C) более склонны к образованию «холодных» и механически ненадёжных паяных соединений при недостаточном прогреве, чем марки с узким интервалом или эвтектические ПОС-61/ПОС-63.

Основные физические свойства сплавов системы Sn–Pb:

• плотность изменяется от 7 300 кг/м³ (высокооловянистые, ~90% Sn) до 11 200 кг/м³ (высокосвинцовистые, ~90% Pb);
• электропроводность припоев составляет 9–15% от электропроводности чистой меди;
• предел прочности при растяжении для мягких Sn–Pb припоев — 16–100 МПа (растёт с увеличением содержания Sn);
• хорошая смачиваемость меди, латуни, бронзы, луженой и оцинкованной стали в присутствии активных флюсов.

Классификация и марки по ГОСТ 21930-76 / ГОСТ 21931-76

Оловянно-свинцовые припои в России выпускаются по двум стандартам: ГОСТ 21930-76 — на припои в чушках, ГОСТ 21931-76 — на припои в изделиях (проволока, прутки, аноды, ленты). По химическому составу марки делятся на три группы.

Бессурьмянистые припои (ПОС)

Основная и наиболее употребимая группа. Маркировка: ПОС-XX, где XX — номинальное содержание олова в процентах. Диапазон марок: от ПОС-10 до ПОС-90. Наиболее распространённые промышленные марки с верифицированными температурными характеристиками:

Марка	Sn, %	Pb, %	Солидус, °C	Ликвидус, °C	Интервал кристаллизации, °C
ПОС-63	63	37	183	183	0 (эвтектика)
ПОС-61	61	39	183	190	7
ПОС-40	40	60	183	238	55
ПОС-30	30	70	183	256	73

ПОС-63 — единственная подлинно эвтектическая марка в стандарте: состав максимально близок к точке эвтектики (61,9% Sn), интервал кристаллизации равен нулю. Сплав мгновенно переходит из жидкого в твёрдое состояние без пастообразной фазы — это снижает риск образования трещин при вибрации и обеспечивает надёжный монтаж на автоматизированных линиях волновой пайки. ПОС-61 имеет близкие характеристики, интервал кристаллизации всего 7 °C, что практически несущественно для ручной пайки.

Малосурьмянистые и сурьмянистые припои (ПОССу)

Марки ПОССу содержат сурьму в количестве 0,5–6% и обозначаются: ПОССу XX-YY, где XX — содержание олова, YY — содержание сурьмы. Сурьма повышает механическую прочность и жаростойкость паяного соединения, расширяет рабочий температурный диапазон. Малосурьмянистые марки (0,5% Sb) применяются для пайки цинковых и оцинкованных поверхностей, так как бессурьмянистые ПОС хуже смачивают цинк.

Важное ограничение: малосурьмянистые припои ПОССу не рекомендуются для пайки алюминия и алюминиевых сплавов. Для этого используются специальные припои на основе олова с цинком или алюминием.

Наиболее употребимые марки ПОССу в промышленности:

• ПОССу 61-0,5 — лужение и пайка печатных плат, обмоток электрических машин, оцинкованных радиодеталей при повышенных требованиях к термостойкости соединения;
• ПОССу 40-2 — пайка жести, обмоток электромашин, моточных и кабельных изделий, радиаторных трубок, оцинкованных деталей холодильных агрегатов;
• ПОССу 35-0,5 — лужение и пайка свинцовых кабельных оболочек электротехнических изделий неответственного назначения;
• ПОССу 30-0,5 и ПОССу 30-2 — лужение и пайка свинцовых оболочек, медных жил и стальной брони в кабельном производстве (рекомендуемые марки по отраслевым нормам);
• ПОССу 4-6 — пайка белой жести, деталей с закатанными и клёпаными швами из латуни и меди; применяется в автомобилестроении для шпаклёвки кузовов.

Выбор марки по задаче пайки

Электроника и приборостроение

Для пайки радиоэлементов, печатных плат и точных приборов с высокогерметичными швами применяют ПОС-61 и ПОС-63. Основной критерий выбора этих марок — недопустимость перегрева элементов: ликвидус 183–190 °C даёт достаточный запас до типичных ограничений по температуре компонентов (обычно 230–260 °C для корпусированных элементов). ПОС-63 предпочтителен для групповой пайки волной и пайки окунанием на автоматизированных линиях — нулевой интервал кристаллизации исключает смещение детали в момент затвердевания припоя. ПОС-61 более доступен и применяется при ручной пайке паяльником.

Специальная марка ПОС-61М (с добавкой меди) предназначена для пайки электропаяльниками тонких медных проволок (толщиной менее 0,2 мм), фольги и печатных проводников в кабельной промышленности.

Для пайки деталей с металлизированной керамикой, пьезокерамики и конденсаторов, чувствительных к перегреву, применяют низкоплавкие кадмийсодержащие марки ПОСК 50-18 (T ликвидус около 145 °C) и ПОСК 2-18, которые относятся к отдельной специальной группе и рассматриваются как самостоятельный материал.

Электротехника, кабельное производство, машиностроение

ПОС-40 применяется для лужения и пайки электроаппаратуры, деталей из оцинкованного железа с полностью герметичными швами. Более широкий интервал кристаллизации (183–238 °C) требует тщательного прогрева и надёжной фиксации деталей в процессе остывания — иначе возможен «холодный» шов.

ПОС-30 по ГОСТ 21930-76 предназначен для лужения и пайки внутренних швов пищевой посуды и медицинской аппаратуры. Из-за высокого содержания свинца (70%) применение этой марки в пищевом оборудовании ограничено современными санитарными нормами — в этих случаях рекомендуется использовать ПОС-90 или бессвинцовые припои.

Для работ в кабельном производстве — лужение и пайка свинцовых оболочек, медных жил, стальной брони — по нормам электромонтажа следует применять ПОССу 30-0,5 или ПОССу 30-2. Применение ПОС-40 в этих задачах допускается лишь при отсутствии рекомендуемых марок.

ПОС-10 применяется для лужения контактных поверхностей электрических аппаратов, реле и приборов, работающих при умеренных температурах. Из-за высокого содержания свинца он имеет наибольший среди бессурьмянистых марок интервал кристаллизации — до 299 °C по ликвидусу, что затрудняет пайку ответственных соединений.

Гальванические покрытия Sn–Pb и аноды

Гальваническое осаждение оловянно-свинцовых сплавов ведётся из кислотных (борфторидных, сульфаматных) электролитов. В отличие от многих других гальванических процессов, осаждение Sn–Pb не требует комплексообразователей — соосаждение олова и свинца возможно из простых кислотных растворов с высоким выходом по току.

Основные промышленные применения гальванических Sn–Pb покрытий:

• Металлорезист при производстве печатных плат — покрытие Sn–Pb защищает медные дорожки при травлении и служит промежуточным слоем перед пайкой;
• Защита контактов в электротехнической и электронной продукции от коррозии и окисления;
• Антифрикционный слой при листовой штамповке — тонкое Sn–Pb покрытие на стальном листе снижает трение при глубокой вытяжке, уменьшая износ штампов и заменяя технологическую смазку.

Для гальванического нанесения сплава Sn–Pb используются растворимые оловянно-свинцовые аноды, которые в процессе электролиза возмещают расход металла в электролите. Применяемый состав анодов должен соответствовать составу осаждаемого покрытия — как правило, это марки с соотношением олова и свинца 60/40 или 63/37 (аналог ПОС-63). Чистота анодного материала напрямую влияет на стабильность электролита: примеси сурьмы, висмута и меди сверх допустимых концентраций вызывают образование шлама и включений в покрытие.

Формы поставки оловянно-свинцовых сплавов

Поставка оловянно-свинцовых сплавов ПОС и ПОССу осуществляется в следующих формах по ГОСТ 21930-76 (чушки) и ГОСТ 21931-76 (изделия):

• Чушки — для переплавки в гальванических ваннах, литья анодов, комплектации производства;
• Прутки — диаметр 8–25 мм, длина 400–500 мм; для ручной пайки паяльником и газовой горелкой;
• Проволока — диаметр 0,5–8 мм; поставляется в бухтах или на катушках, с флюсом или без;
• Аноды — пластины и специальные фасонные заготовки для гальванических ванн;
• Специальные заготовки — по техническому заданию заказчика (лента, фольга, гранулы).

Марка, форма и масса партии согласовываются при оформлении заявки. Поставка по России.