Сплав ПОСВ33

Припой ПОСВ-33 — это оловянно-свинцово-висмутовый сплав, в котором три основных компонента присутствуют в примерно равных долях. Низкая температура плавления (ликвидус около 130 °С) позволяет использовать его для пайки и лужения деталей, чувствительных к нагреву. Ниже подробно рассмотрены состав, физико-механические свойства, область применения и практические особенности работы с этим припоем.

Расшифровка маркировки припоя ПОСВ-33

Марка ПОСВ-33 расшифровывается следующим образом:

Таким образом, буквенная часть указывает систему сплава (олово — свинец — висмут), а цифра отражает номинальное содержание олова.

Химический состав припоя ПОСВ-33

Отличительная черта этого припоя — приблизительно равное процентное содержание трёх базовых металлов. Номинальный состав сплава приведён в таблице.

Роль каждого компонента в сплаве

Олово обеспечивает хорошую жидкотекучесть расплава и улучшает капиллярное смачивание поверхностей в зоне пайки. Именно благодаря олову припой способен проникать в узкие зазоры и полностью заполнять полости сложных соединений.

Свинец повышает пластичность сплава в твёрдом состоянии и снижает температуру плавления по сравнению с чистым оловом (температура плавления чистого Sn — 232 °С).

Висмут является главным фактором, резко понижающим температуру плавления тройного сплава. В тройной системе Sn–Pb–Bi эвтектическая температура значительно ниже, чем у двойной системы Sn–Pb (183 °С). Присутствие висмута в количестве около 33 % обеспечивает температуру ликвидуса около 130 °С — существенно ниже, чем у большинства оловянно-свинцовых припоев серии ПОС.

Допускается присутствие следовых количеств меди и мышьяка (суммарно не более 0,1 %). Возможно также наличие микроколичеств кадмия на уровне, выявляемом лишь специальным металлографическим анализом. При обнаружении кадмия следует учитывать повышенную токсичность его паров при работе с расплавом.

Физические и механические свойства ПОСВ-33

ПОСВ-33 относится к особолегкоплавким припоям (классификация по ГОСТ 19248-90: температура плавления ≤ 145 °С). Ниже приведены основные физико-механические характеристики.

Температурные характеристики припоя ПОСВ-33

Интервал кристаллизации (разница между ликвидусом и солидусом) составляет около 20 °С. Это означает, что в диапазоне от 110 до 130 °С сплав находится в двухфазном состоянии — часть компонентов уже затвердела, а часть ещё остаётся жидкой. Практическое следствие: при застывании паяного шва необходимо обеспечить неподвижность соединения во всём температурном интервале кристаллизации, иначе прочность стыка снижается.

Для сравнения: эвтектический припой ПОС-61 (Sn 61 %, Pb 39 %) имеет практически нулевой интервал кристаллизации (183 °С), что делает его более удобным при монтаже подвижных элементов. Однако температура пайки ПОС-61 существенно выше, чем у ПОСВ-33, и не подходит для термочувствительных компонентов.

Плотность сплава ПОСВ-33

Плотность ПОСВ-33 (≈ 9,3 г/см³) обусловлена присутствием трёх достаточно тяжёлых металлов. Для справки: плотность чистого олова — 7,3 г/см³, свинца — 11,3 г/см³, висмута — 9,8 г/см³. Средневзвешенное значение для равных долей — около 9,5 г/см³, фактическая плотность несколько ниже расчётной из-за особенностей кристаллической структуры висмутсодержащих сплавов.

Влияние висмута на свойства сплава

Висмут придаёт припою ПОСВ-33 ряд характерных свойств, отличающих его от обычных оловянно-свинцовых припоев серии ПОС:

Расширение при затвердевании. В отличие от большинства металлов, висмут увеличивается в объёме при переходе из жидкого состояния в твёрдое (аналогично воде). Это свойство передаётся сплаву: ПОСВ-33 при кристаллизации слегка расширяется. С одной стороны, это обеспечивает плотное заполнение полости шва; с другой — может привести к внутренним напряжениям в паяном соединении.

Повышенное удельное электрическое сопротивление. Чистый висмут обладает одним из самых высоких удельных сопротивлений среди металлов (около 1,29 мкОм·м при 20 °С). Поэтому сплавы с висмутом имеют электрическое сопротивление значительно выше, чем припои серии ПОС, не содержащие висмут. Это следует учитывать при проектировании электрических цепей, где контактное сопротивление паяного соединения критично.

Хрупкость. Висмут — хрупкий металл. Его присутствие в сплаве снижает пластичность паяного шва. По этой причине ПОСВ-33 не применяют в конструкциях, испытывающих вибрационные или ударные нагрузки.

Коррозионная стойкость. В затвердевшем состоянии припой ПОСВ-33 обладает хорошей стойкостью к атмосферной коррозии. Висмут образует на поверхности плотную оксидную плёнку, которая замедляет дальнейшее окисление.

Нормативная документация

Общая классификация припоев по температуре плавления, составу и форме выпуска установлена ГОСТ 19248-90. По этому стандарту ПОСВ-33 классифицируется как припой для низкотемпературной (мягкой) пайки, подкласс — особолегкоплавкий (температура плавления ≤ 145 °С).

Формы выпуска (проволока, прутки, лента, трубки с флюсом, порошок) регламентируются ГОСТ 21931-76, который устанавливает требования к размерам, предельным отклонениям, качеству поверхности и маркировке оловянно-свинцовых припоев в изделиях. Химический состав чушковых припоев определяется по ГОСТ 21930-76.

Следует отметить, что марки серии ПОСВ (с висмутом) не включены в основной перечень марок ГОСТ 21930-76, где перечислены только серии ПОС, ПОССу и ПОСК. Конкретные требования к химическому составу припоя ПОСВ-33 устанавливаются техническими условиями производителя, согласованными с потребителем.

Формы поставки оловянно-свинцово-висмутового припоя

Припой ПОСВ-33 выпускается в следующих формах:

Область применения ПОСВ-33

Низкая температура плавления и хорошая жидкотекучесть определяют основные направления использования припоя ПОСВ-33. Ниже перечислены подтверждённые области применения.

Пайка плавких предохранителей

Это одно из основных назначений ПОСВ-33. Плавкие вставки предохранителей должны разрушаться при строго определённой температуре. Использование особолегкоплавкого припоя позволяет точно калибровать температуру срабатывания. Кроме того, низкая температура плавления исключает повреждение соседних элементов при срабатывании предохранителя.

Лужение и пайка термочувствительных деталей

ПОСВ-33 применяют при пайке деталей из меди, латуни и константана, для которых перегрев недопустим. Типичные примеры:

— тонкая медная проволока и лента, которые при высокой температуре теряют механические свойства из-за рекристаллизации;

— компоненты печатных плат малых размеров и толщины, где тепловое воздействие может повредить подложку или соседние элементы;

— ВЧ-кабели с нетеплостойкой изоляцией — лужение таких кабелей при более высокой температуре привело бы к оплавлению изоляции.

Ступенчатая (каскадная) пайка

В многоступенчатой пайке последовательно используют припои с понижающейся температурой плавления. ПОСВ-33 применяется на заключительном этапе ступенчатой пайки металлокерамических узлов, чтобы ранее выполненные паяные швы (например, серебряным или медно-цинковым припоем) не расплавились повторно.

Защитное покрытие поверхностей (лужение)

Лужение припоем ПОСВ-33 создаёт на металлической поверхности тонкий защитный слой, препятствующий окислению при межоперационном хранении. Данный метод применяется для защиты офлюсованных компонентов перед монтажом.

Флюсы для пайки припоем ПОСВ-33

При работе с ПОСВ-33 используют стандартные флюсы для мягкой пайки. Выбор флюса зависит от материала паяемых деталей и требований к остаткам после пайки.

При пайке деталей из меди и медных сплавов наиболее распространён флюс ЛТИ-120, остатки которого не вызывают коррозии и не требуют обязательной отмывки.

Сравнение ПОСВ-33 с другими легкоплавкими припоями

Для выбора оптимального припоя важно понимать, чем ПОСВ-33 отличается от родственных марок. В таблице приведено сравнение с наиболее близкими по назначению особолегкоплавкими сплавами.

ПОСВ-50 (сплав Розе) является эвтектическим сплавом и плавится при температуре около 94 °С — это самый низкоплавкий из промышленных висмутовых припоев. ПОСК 50-18 содержит кадмий вместо висмута и обладает более высокой токсичностью; его применение в новых разработках ограничивается.

Техника безопасности при работе с ПОСВ-33

Сплав содержит свинец, пары которого относятся к веществам 1-го класса опасности по ГОСТ 12.1.007. При работе с расплавленным припоем необходимо соблюдать следующие требования:

— рабочее место должно быть оборудовано местной вытяжной вентиляцией;

— при пайке и обслуживании ванн лужения использовать респиратор и защитные очки;

— не допускать приёма пищи и воды в зоне пайки;

— после окончания работ тщательно мыть руки и лицо;

— отходы припоя (стружка, снятые излишки) собирать в отдельную тару для последующей утилизации.

При обнаружении следов кадмия в партии припоя (по данным входного контроля) принимаются дополнительные меры защиты, поскольку пары оксида кадмия ещё более токсичны, чем пары свинца.

Рекомендации по пайке припоем ПОСВ-33

Выбор паяльного инструмента

Для работы с ПОСВ-33 используются маломощные паяльники (15–40 Вт) с регулировкой температуры. Рабочая температура жала устанавливается в пределах 160–200 °С — существенно ниже, чем при пайке припоями серии ПОС. Превышение температуры приводит к ускоренному окислению расплава и ухудшению смачивания.

Подготовка паяемых поверхностей

Паяемые поверхности должны быть зачищены от оксидов и загрязнений. Медные и латунные детали рекомендуется предварительно залудить, особенно если они хранились длительное время. Флюс наносится непосредственно перед пайкой.

Особенности процесса пайки

Из-за интервала кристаллизации (≈ 20 °С) паяемые детали должны оставаться неподвижными до полного затвердевания шва. Нарушение этого правила приводит к образованию «холодных» паяных соединений с пониженной прочностью и повышенным переходным электрическим сопротивлением. Визуально качественный шов имеет гладкую блестящую поверхность. Матовый или зернистый вид шва указывает на нарушение режима пайки.

Типичные дефекты при пайке висмутовым припоем

Основные дефекты, характерные для висмутовых припоев: трещины (из-за внутренних напряжений при расширении висмута), непропаи (недостаточное смачивание), рыхлая структура (подвижка деталей при застывании). При обнаружении дефектов паяное соединение перепаивается полностью — локальный подогрев припоя с висмутом приводит к образованию неоднородной структуры.

Хранение и транспортировка припоя ПОСВ-33

Припой хранится в сухих закрытых помещениях. Длительное воздействие влаги может вызвать поверхностное окисление, особенно свинцового компонента. Проволока и лента поставляются в герметичной упаковке. Чушки транспортируются в деревянных ящиках или на поддонах, скреплённых упаковочной лентой. При хранении не допускается контакт с агрессивными средами (кислоты, щёлочи).