Твердый припой

Что такое твёрдые припои и чем они отличаются от мягких

Твёрдые припои — это металлические сплавы для высокотемпературной пайки, обеспечивающие паяные соединения с высокой механической прочностью. Традиционная классификация по ГОСТ 17325-79 относит к твёрдым припои с температурой плавления (ликвидус) выше 300 °C. Современный стандарт ГОСТ 19248-90 использует другой термин: припои для высокотемпературной пайки — с температурой плавления свыше 450 °C. На практике обе классификации применяются параллельно в зависимости от отрасли и технической документации предприятия.

Принципиальное отличие от мягких припоев — не только температура процесса, но и прочность получаемого шва. Предел прочности на разрыв у мягких припоев составляет 16–100 МПа, у твёрдых — 100–500 МПа. Это определяет область применения: твёрдая пайка используется там, где соединение должно выдерживать механические нагрузки, вибрацию, высокие рабочие температуры или контакт с агрессивными средами.

Основные группы твёрдых припоев

По химическому составу основы твёрдые припои разделяются на несколько групп, каждая из которых регламентируется отдельными стандартами.

Медно-цинковые припои (ПМЦ)

Медно-цинковые припои регламентируются ГОСТ 23137-78. Основа — система Cu–Zn. С увеличением доли меди растёт температура плавления, прочность и пластичность шва. Стандарт устанавливает три марки: ПМЦ-36, ПМЦ-48 и ПМЦ-54, где цифра обозначает номинальное содержание меди в процентах.

Медно-цинковые припои применяются для пайки латуней, бронз, меди, томпака и низкоуглеродистых сталей. Существенный технологический нюанс: при перегреве цинк интенсивно испаряется, что приводит к пористости шва и изменению его химического состава. Температурный режим пайки должен строго контролироваться.

Марка	Cu, %	Zn, %	Солидус, °C	Ликвидус, °C	Основное назначение
ПМЦ-36	34–38	остальное	800	825	Латуни с содержанием меди 60–68 %
ПМЦ-48	46–50	остальное	850	865	Медные сплавы с содержанием меди свыше 68 %
ПМЦ-54	52–56	остальное	876	880	Медь, бронза, томпак, сталь

Из-за повышенной хрупкости (относительное удлинение порядка 3 %) медно-цинковые припои не поддаются прокатке в тонкую ленту или волочению в проволоку. Основная форма поставки — гранулы двух классов крупности: класс А (0,2–3 мм) и класс Б (3–5 мм). Также выпускаются в виде прутков, чушек и порошка для приготовления паяльных паст.

Серебряные припои (ПСр)

Серебряные припои регламентируются ГОСТ 19738-2015 (ранее ГОСТ 19738-74). Основой являются системы Ag–Cu, Ag–Cu–Zn, Ag–Cu–Zn–Cd и другие многокомпонентные композиции. Содержание серебра в разных марках — от 1,5 до 72 %. В обозначении марки буквы означают: П — припой, Ср — серебро, М — медь, Ц — цинк, Кд — кадмий, Ф — фосфор, О — олово, С — свинец, Су — сурьма.

Серебряные припои обеспечивают паяные соединения высокого качества: прочные, пластичные, коррозионностойкие, с хорошей электро- и теплопроводностью. Они применяются для пайки меди, медных и медно-никелевых сплавов, никеля, ковара, нейзильбера, латуней, бронз, нержавеющих сталей и титановых сплавов.

Марка	Ag, %	Cu, %	Zn, %	Прочие	Солидус, °C	Ликвидус, °C
ПСр-72	71,5–72,5	остальное	≤0,007	—	779	779
ПСр-70	69,5–70,5	26,1–27,1	остальное	—	715	770
ПСр-65	64,5–65,5	19,5–20,5	остальное	—	695	722
ПСр-45	44,5–45,5	29,0–31,0	остальное	—	665	730
ПСр-25	24,7–25,3	39,0–41,0	остальное	—	740	775
ПСр-15	14,5–15,5	остальное	—	P 4,5–5,1	640	810
ПСр-10	9,7–10,3	остальное	остальное	—	815	830

ПСр-72 — эвтектический припой системы Ag–Cu: температура солидуса и ликвидуса совпадают (779 °C), что означает отсутствие интервала кристаллизации. Это делает его удобным для ответственных соединений, где важна минимальная ширина зоны кристаллизации. ПСр-72 обладает высокой электропроводностью и используется в электронике и приборостроении.

ПСр-45 — один из наиболее распространённых серебряных припоев. Обеспечивает прочные и пластичные швы, устойчивые к вибрационным и ударным нагрузкам. Применяется для пайки стыков значительной толщины.

ПСр-25Ф (с фосфором) относится к самофлюсующимся припоям при пайке меди и медных сплавов.

Медно-фосфорные припои (ПМФ)

Медно-фосфорные припои регламентируются ГОСТ 4515-93. Основа — система Cu–P с содержанием фосфора от 5 до 9 %. Добавки олова и циркония снижают температуру плавления и повышают пластичность.

Главное технологическое преимущество медно-фосфорных припоев — самофлюсующие свойства при пайке меди. Фосфор при нагреве окисляется до фосфорного ангидрида, который выполняет функцию флюса. Это позволяет паять медные соединения без применения дополнительного флюса. Однако при пайке латуней, бронз и медно-никелевых сплавов использование борсодержащих флюсов обязательно.

Марка	P, %	Cu, %	Солидус, °C	Ликвидус, °C
ПМФ-7	6,7–7,5	остальное	714	820
ПМФ-9	8,5–9,5	остальное	714	820

Важное ограничение: медно-фосфорные припои непригодны для пайки стали и чугуна. По границе шва образуется хрупкая плёнка фосфидов железа, которая резко снижает прочность и герметичность соединения. Также не рекомендуется их применение для цветных металлов с содержанием никеля более 10 % — по аналогичной причине образования хрупких фосфидов никеля.

Специальные припои для высокотемпературной и вакуумной пайки (ВПр)

Припои серии ВПр разработаны для пайки жаропрочных сплавов и нержавеющих сталей в защитной атмосфере, вакууме или при индукционном нагреве. Основой могут быть системы Cu–Ni, Cu–Mn–Ni, Ni–Cr, Ni–Mn и другие. Температуры пайки — от 950 до 1200 °C и выше.

Ряд марок ВПр (например, ВПр-4) обладает самофлюсующими свойствами за счёт добавок лития, натрия, калия и фосфора. Другие (ВПр-1) требуют применения газообразных флюсов или бескислородной среды. Подробнее о марках серии ВПр — на странице припоев ВПр.

Критерии выбора твёрдого припоя

Выбор конкретной марки определяется совокупностью технических требований к паяному соединению.

Материал соединяемых деталей

Основное правило: припой должен хорошо смачивать паяемый металл и не образовывать хрупких интерметаллидных фаз на границе шва. Медно-цинковые припои оптимальны для латуней и бронз, но не подходят для алюминиевых сплавов. Серебряные припои наиболее универсальны — пригодны для чёрных и цветных металлов, а также их комбинаций. Медно-фосфорные — только для меди и медных сплавов (с ограничениями по никелю). Припои ВПр — для жаропрочных и нержавеющих сталей.

Рабочая температура соединения

Предельная рабочая температура паяного шва не должна превышать 0,5–0,7 температуры солидуса припоя. Для медно-цинковых припоев это ограничивает эксплуатацию примерно до 400–500 °C, для серебряных — до 300–450 °C (в зависимости от марки), для припоев серии ВПр — до 600 °C и выше.

Механические требования к шву

Если шов подвергается ударным или вибрационным нагрузкам, медно-цинковые припои (особенно ПМЦ-36) не рекомендуются из-за хрупкости β-фазы. В таких случаях предпочтительнее серебряные припои с высоким содержанием серебра (ПСр-45 и выше), обеспечивающие пластичный шов. Для статически нагруженных соединений допустимы более экономичные марки.

Электро- и теплопроводность

При пайке токоведущих элементов используются серебряные припои с высоким содержанием серебра. ПСр-72 имеет наименьшее удельное электрическое сопротивление среди серебряных припоев — 2,1 мкОм·см, что сопоставимо с характеристиками чистой меди.

Среда пайки и необходимость флюса

Пайка газовой горелкой на воздухе требует применения флюсов. Наиболее распространённые флюсы для твёрдой пайки — на основе буры и борной кислоты (для серебряных и медно-цинковых припоев). Медно-фосфорные припои при пайке меди работают без флюса. Пайка в вакууме или инертной атмосфере исключает применение флюсов, но предъявляет требования к чистоте поверхностей и составу припоя.

Формы поставки твёрдых припоев

Форма поставки зависит от технологии пайки и типа оборудования. Серебряные припои выпускаются в наиболее широком ассортименте форм: проволока, полоса (лента), фольга, штампованные заготовки — согласно ГОСТ 19746-2015 (проволока) и ГОСТ 19739-2015 (полоса). Медно-цинковые припои поставляются преимущественно в виде гранул, прутков и чушек. Медно-фосфорные — в виде прутков и лент. Припои ВПр выпускаются в виде проволоки, прутков, порошков и аморфных лент.

Для ряда задач выпускаются паяльные пасты — порошок припоя, смешанный с флюсом и связующим. Пастообразная форма удобна при механизированной пайке, а также для нанесения на вертикальные и потолочные поверхности.

Температурный режим и зазоры при твёрдой пайке

Температура пайки, как правило, на 20–50 °C выше температуры ликвидуса припоя. Избыточный перегрев нежелателен: он вызывает испарение летучих компонентов (цинка, кадмия), эрозию основного металла и рост зерна в околошовной зоне.

Оптимальный зазор между соединяемыми деталями для капиллярной пайки твёрдыми припоями составляет 0,05–0,15 мм. При слишком малом зазоре припой не затекает, при слишком большом — не заполняет его полностью и не развивает необходимую прочность.

Интервал кристаллизации (разница между ликвидусом и солидусом) влияет на качество шва. Припои с узким интервалом (например, ПМЦ-48 с интервалом 15 °C или эвтектический ПСр-72 с нулевым интервалом) быстро затвердевают, что снижает риск пористости и горячих трещин. Припои с широким интервалом кристаллизации (ПСр-15 — 170 °C) требуют особого контроля режима охлаждения.

Нормативная база

Основные стандарты, регламентирующие марки и свойства твёрдых припоев:

Стандарт	Область действия
ГОСТ 17325-79	Пайка и лужение — основные термины и определения
ГОСТ 19248-90	Флюсы паяльные — классификация
ГОСТ 19738-2015	Припои серебряные — марки и химический состав
ГОСТ 19746-2015	Проволока из серебряных припоев
ГОСТ 19739-2015	Полосы из серебряных припоев
ГОСТ 23137-78	Припои медно-цинковые — марки и химический состав
ГОСТ 4515-93	Сплавы медно-фосфористые
ГОСТ 28873-90	Прутки из медно-цинковых сплавов для пайки

Области промышленного применения

Твёрдые припои применяются в широком спектре отраслей. Серебряные припои востребованы в электротехнике и электронике (пайка контактов, токопроводящих шин, печатных плат высокочастотной аппаратуры), в приборостроении, в холодильной и климатической технике (пайка медных трубопроводов), в ювелирном производстве. Медно-цинковые припои используются в машиностроении для пайки латунных и бронзовых деталей, в инструментальном производстве — для напайки твердосплавных пластин на стальные державки. Медно-фосфорные припои — стандартное решение для пайки медных трубопроводов, теплообменников, обмоток электродвигателей и трансформаторов. Припои серии ВПр применяются в авиационной, ракетно-космической промышленности и энергетическом машиностроении для соединения жаропрочных и коррозионностойких сплавов.

При подборе припоя под конкретную задачу рекомендуется учитывать не только марку, но и форму поставки, допустимый зазор в соединении, метод нагрева и требования к послепаечной обработке шва.