Оловянно-цинковый припой

Что такое оловянно-цинковые припои

Оловянно-цинковые припои — сплавы системы Sn–Zn, не содержащие свинца. В российской практике они выпускаются под марками ПОЦ (Припой Оловянно-Цинковый) и ЦОП (Цинково-Оловянный Припой). Это два обозначения одной группы материалов: разница лишь в порядке букв, исторически закрепившемся для конкретных марок. Например, ПОЦ-60 и ЦОП-40 описывают один и тот же состав — 60% Sn и 40% Zn.

Главное отличие этих припоев от оловянно-свинцовых серий ПОС и ПОССу — полное отсутствие свинца. Это делает их предпочтительными там, где применение свинецсодержащих материалов ограничено технологически или нормативно: в пищевом и медицинском оборудовании, в ряде импортозамещающих производств.

Принципиальная область применения ПОЦ — пайка алюминия и алюминиевых сплавов. Цинк в составе обеспечивает смачиваемость алюминиевой поверхности, которую чистое олово смочить практически не способно без разрушения оксидной плёнки. Именно наличие цинка объясняет технологическое назначение этой группы припоев.

Специального межгосударственного ГОСТ на оловянно-цинковые припои ПОЦ/ЦОП не существует: ГОСТ 21930-76 и ГОСТ 21931-76 распространяются исключительно на оловянно-свинцовые сплавы. Припои ПОЦ изготавливают по техническим условиям (ТУ), которые определяют допуски на состав и контроль качества.

Диаграмма состояния и металлургические особенности системы Sn–Zn

Система олово–цинк образует простую двойную эвтектику без промежуточных интерметаллических фаз. Эвтектическая точка расположена при составе 91,1% Sn — 8,9% Zn и температуре 198,5°C. Это наиболее легкоплавкий состав во всей системе.

Все составы с содержанием цинка выше эвтектического (более 8,9% Zn) кристаллизуются с выделением первичных кристаллов цинка. Солидус для них совпадает с эвтектической температурой (198,5°C), а ликвидус тем выше, чем больше цинка в сплаве — вплоть до температуры плавления чистого цинка 419,5°C. Это объясняет, почему при одинаковом солидусе разные марки ПОЦ резко различаются по ликвидусу: ПОЦ-10 полностью жидкий уже при 210°C, тогда как у ПОЦ-60 ликвидус составляет около 320°C.

Важное следствие для практики: все оловянно-цинковые припои с содержанием Zn более эвтектического имеют широкий интервал кристаллизации. В зоне между солидусом и ликвидусом сплав находится в пастообразном состоянии. Смещение паяного соединения в этот период до завершения затвердевания приводит к образованию рыхлого, непрочного шва. Это требует фиксации деталей до полного охлаждения.

Марки, состав и основные характеристики

Марка	Sn, %	Zn, %	T солидус, °C	T ликвидус, °C	Плотность, г/см³
ПОЦ-10	89–91	9–11	199	210	7,3
ПОЦ-40	~ 40	~ 60	по ТУ	по ТУ	по ТУ
ПОЦ-50	50	50	по ТУ	по ТУ	по ТУ
ПОЦ-60 / ЦОП-40	59–61	39–41	~198	~320	7,6
ПОЦ-80 (П250А)	79–81	19–21	~200	~250	7,6

Примечание: значения температур солидус/ликвидус — справочные, по данным ТУ и расчётам на основе диаграммы состояния Sn–Zn. Точные допуски устанавливаются конкретным ТУ производителя. Для составов ПОЦ-40 и ПОЦ-50 данные приводятся согласно ТУ на поставку.

ПОЦ-10: наиболее легкоплавкая марка

ПОЦ-10 содержит около 90% олова и 10% цинка, что максимально близко к эвтектике системы (91,1% Sn). Это единственная марка группы ПОЦ с узким интервалом кристаллизации — всего около 11°C. По поведению при пайке она ближе всего к эвтектическим оловянно-свинцовым припоям: быстро переходит в жидкое состояние, не склонна к пастообразной фазе, обеспечивает хорошее заполнение зазора.

Применяют ПОЦ-10 для пайки изделий из алюминиевых сплавов, а также деталей из неметаллических материалов с алюминиевым покрытием. Низкая температура пайки снижает термический риск для чувствительных конструкций.

ПОЦ-60 и ЦОП-40: одна марка — два обозначения

Состав 60% Sn / 40% Zn в отечественной практике обозначается двумя способами: ПОЦ-60 (где цифра указывает на долю олова) и ЦОП-40 (где цифра указывает на долю цинка). Это один сплав. Рабочая температура при лужении составляет 300–320°C, что требует газопламенного нагрева или паяльников повышенной мощности — обычный паяльник с оловянно-свинцовыми припоями здесь не справится.

Марка ЦОП-40 стандартизована в кабельной отрасли и выпускается в прутках трапециевидного сечения, удобных для лужения кабельных оболочек. Это специализированный припой для соединения алюминиевых оболочек со свинцовыми муфтами при монтаже кабелей связи.

ПОЦ-80 (П250А): баланс между легкоплавкостью и цинковым легированием

При содержании 80% Sn и 20% Zn сплав находится дальше от эвтектики, чем ПОЦ-10, но имеет приемлемый ликвидус около 250°C. Это позволяет работать обычным электрическим паяльником или газовой горелкой без режима перегрева. Альтернативное обозначение П250А указывает на ликвидус (~250°C), принятый в качестве рабочего ориентира. Удельное электрическое сопротивление — 0,120 Ом·мм²/м, что близко к ПОЦ-60.

Применение оловянно-цинковых припоев ПОЦ

Пайка алюминия и алюминиевых сплавов

Это основная и наиболее технологически значимая область применения всей группы ПОЦ. Алюминий покрыт устойчивой оксидной плёнкой Al₂O₃ с температурой плавления около 2050°C, которая препятствует смачиванию припоем. Оловянно-свинцовые припои серии ПОС алюминий не смачивают совсем. Цинк в составе ПОЦ повышает смачиваемость поверхности, однако самой плёнки механически не разрушает — её удаление обеспечивается активным флюсом или ультразвуковым воздействием.

Припои ПОЦ пригодны для пайки деформируемых алюминиевых сплавов серий 1ХХХ, 3ХХХ, 5ХХХ (с содержанием Mg до ~2,5%), а также сплавов с алюминиевым покрытием. Сплавы, легированные магнием более 2% или содержащие медь и кремний в значительных количествах (серии 2ХХХ, 6ХХХ, 7ХХХ), паяются с трудом или вовсе непаяемы мягкими припоями без специальных технологических решений.

Цинковые литейные сплавы, содержащие более 2% алюминия (например, ЦАМ-4-1 и аналоги), паяются с применением тех же методов и флюсов, что при пайке алюминия — оловянно-цинковые припои здесь оптимальный выбор.

Лужение и монтаж алюминиевых оболочек кабелей связи (ЦОП-40)

Специализированная марка ЦОП-40 (то же, что ПОЦ-60) применяется в линейно-кабельных сооружениях связи для залуживания алюминиевых оболочек кабелей при монтаже муфт методами горячей пайки и склеивания. Припой используется при монтаже кабелей типов ТЗАШп, ТЗАБпШп, МКСАШп и аналогичных. Выпускается в прутках трапециевидного сечения, специально предназначенных для натирания нагретой оболочки.

После залуживания оболочку, не дожидаясь остывания, рекомендуется обработать антикоррозионным составом: пара компонентов из состава примесей (включая следы свинца и сурьмы) при контакте с влагой могут ускорять точечную коррозию.

Другие области применения

Оловянно-цинковые припои применяют также при оконцевании алюминиевых жил в слаботочных линиях, при восстановлении частично повреждённых алюминиевых оболочек в местах соединения со свинцовыми муфтами, а также в электро- и радиотехнике для пайки алюминиевых деталей, где исключено применение свинецсодержащих материалов.

Флюсы для пайки оловянно-цинковыми припоями ПОЦ

Пайка алюминия оловянно-цинковыми припоями без флюса или с применением канифоли и неактивированных флюсов невозможна: оксидная плёнка Al₂O₃ настолько химически устойчива, что нейтральные флюсы её не разрушают.

Для работы с припоями ПОЦ применяют активные флюсы на основе хлоридов, как правило содержащие хлорид цинка (ZnCl₂), хлорид аммония (NH₄Cl) или их смеси с органическими компонентами. В кабельной практике при работе с ЦОП-40 применяют специализированные флюсы, рекомендованные для данного вида работ и совместимые с материалом оболочки.

Остатки активных хлоридных флюсов обязательно удаляют после пайки — они гигроскопичны и вызывают коррозию соединения при длительной эксплуатации. Промывка производится горячей водой или специальными смывками в зависимости от применённого флюса.

В ряде случаев применяется ультразвуковая пайка без флюса: ультразвуковые колебания разрушают оксидную плёнку кавитационным воздействием в расплаве припоя. Этот метод требует специального оборудования — ультразвуковых паяльников или ультразвуковых паяльных ванн.

Подробнее о флюсах для пайки цветных металлов — на странице флюсы паяльные и сварочные.

Технологические особенности пайки припоями ПОЦ

Подготовка поверхности

Подготовка — критически важный этап. Алюминиевая поверхность должна пройти:

• Обезжиривание органическими растворителями (ацетон, спирт) или водно-щелочными составами
• Механическую зачистку металлической щёткой из нержавеющей стали или абразивом
• Немедленное (без паузы) нанесение активного флюса после зачистки, пока поверхность не успела повторно окислиться

Температурный режим

Температура паяльника или горелки должна превышать ликвидус применяемого припоя, но не более чем на 50–80°C сверх необходимого. Перегрев ускоряет испарение цинка (Zn начинает ощутимо испаряться выше 400°C), что изменяет состав расплава, снижает качество шва и создаёт токсичные пары оксида цинка. Работа должна вестись в вентилируемом помещении или при местной вытяжке.

Охлаждение и фиксация

Из-за широкого интервала кристаллизации у марок с высоким содержанием цинка (ПОЦ-40, ПОЦ-50, ПОЦ-60) соединение необходимо фиксировать до полного затвердевания. Принудительное охлаждение водой или сжатым воздухом применяют с осторожностью — резкий термоудар по алюминиевой детали может привести к трещинам в основном металле.

Безопасность при работе

Пары цинка, образующиеся при перегреве расплава выше 400°C, вызывают так называемую «цинковую лихорадку» при вдыхании. Обязательно использование местной вытяжки или принудительной вентиляции рабочего места.

Формы поставки и условия заказа

Оловянно-цинковые припои поставляются в следующих формах:

• Чушки и слитки — для повторного переплава, лужения погружением в ванну
• Прутки — для ручной пайки паяльником или горелкой; ЦОП-40 стандартно поставляется в прутках трапециевидного сечения
• Проволока — для механизированной и ручной пайки
• Порошок — для приготовления паст и специальных нанесений

Поставка осуществляется партиями с сопроводительной документацией о химическом составе. Минимальная партия, упаковка и иные условия согласовываются при оформлении заказа.

Ознакомиться с ассортиментом мягких припоев для алюминия можно на странице припой для пайки алюминия.