Легкоплавкий сплав Вуда (припой, металл Вуда).

Сплав Вуда — легкоплавкий четырёхкомпонентный сплав на основе висмута, олова, свинца и кадмия. Материал был получен в 1860 году американским дантистом Барнабасом Вудом (Barnabas Wood) и относится к группе особо легкоплавких припоев с температурой перехода в жидкое состояние ниже точки кипения воды. Благодаря этому сплав Вуда нашёл применение в электронике, приборостроении, гальванопластике, металлографии и системах пожарной безопасности. Поставляется в виде гранул, чушек, слитков и прутков.

Химический состав сплава Вуда

Состав и свойства сплава регламентируются техническими условиями ТУ 6-09-4064-87. Сплав представляет собой эвтектическую смесь четырёх тяжёлых металлов.

Основные компоненты по ТУ 6-09-4064-87

Висмут составляет половину массы сплава и определяет его ключевые свойства: низкую температуру плавления, высокую плотность, хрупкость и характерную температурную аномалию — расширение при затвердевании. Кадмий в соединении с висмутом дополнительно понижает температуру плавления, но при этом придаёт сплаву токсичность. Свинец и олово обеспечивают хорошую смачиваемость металлических поверхностей при пайке и лужении.

У разных производителей соотношение компонентов может незначительно отличаться. Помимо основных элементов, в составе допускается присутствие следовых примесей (медь, сера и др.), не влияющих на потребительские свойства.

Роль каждого компонента в сплаве

Висмут (Bi) — основа сплава. Этот тяжёлый полуметалл имеет температуру плавления 271,4 °С и плотность 9 780 кг/м³. Характерная особенность висмута — увеличение объёма при кристаллизации (подобно воде). В составе сплава Вуда это свойство обеспечивает минимальную усадку отливок и плотное заполнение форм.

Свинец (Pb) — пластичный металл, улучшающий текучесть расплава и обеспечивающий адгезию к паяемым поверхностям. Температура плавления свинца — 327,5 °С, плотность — 11 340 кг/м³.

Олово (Sn) — придаёт сплаву способность хорошо смачивать медные и латунные поверхности. Температура плавления олова — 231,9 °С, плотность — 7 310 кг/м³.

Кадмий (Cd) — снижает температуру эвтектики четырёхкомпонентной системы. Температура плавления кадмия — 321,1 °С, плотность — 8 650 кг/м³. Кадмий является токсичным элементом, что требует соблюдения мер безопасности при работе с расплавом.

Физико-механические свойства сплава Вуда

Сплав Вуда относится к тяжёлым легкоплавким материалам. Ниже приведены основные характеристики, подтверждённые справочными и производственными данными.

Температура плавления и плотность

Плотность сплава Вуда (9 720 кг/м³) существенно выше плотности конструкционных сталей (≈7 850 кг/м³) — примерно на 24 %. Это одна из самых высоких плотностей среди мягких припоев с температурой плавления ниже 100 °С.

Температура плавления сплава зависит от точности соблюдения пропорций компонентов. Эвтектическая точка четырёхкомпонентной системы Bi–Pb–Sn–Cd находится в районе 70 °С. На практике температура перехода в жидкое состояние составляет 60–68,5 °С — ниже точки кипения воды, что позволяет расплавлять сплав даже в горячей водяной бане.

Особенности теплофизического поведения

Сплав Вуда имеет характерную для висмутсодержащих материалов температурную аномалию: при нагревании он уменьшается в объёме (отрицательный коэффициент термического расширения в определённом диапазоне температур), а при затвердевании — расширяется. Эта особенность обеспечивает малую усадку отливок и точное воспроизведение формы при литье.

Теплопроводность сплава Вуда — одна из самых низких среди металлических сплавов. Это объясняется доминированием висмута, который сам по себе относится к худшим проводникам тепла среди металлов.

Области применения сплава Вуда

Низкая температура плавления, высокая текучесть расплава, малая усадка при кристаллизации и способность заполнять мельчайшие полости определяют широкий спектр технических применений сплава Вуда.

Пайка и лужение электронных компонентов

Основная область использования — низкотемпературная пайка. Сплав Вуда применяется в качестве мягкого легкоплавкого припоя при работе с микросхемами, печатными платами и другими радиоэлектронными компонентами, чувствительными к перегреву. Пайка ведётся паяльниками малой мощности (до 25–40 Вт) во избежание повреждения элементной базы.

При всех видах пайки обязательно применение флюса, который защищает зону соединения от окисления расплавленного металла атмосферным кислородом. После завершения пайки соединение не следует подвергать механическим нагрузкам до полной кристаллизации припоя. Паяное соединение на основе сплава Вуда имеет невысокую прочность и хрупкость, что ограничивает его использование в нагруженных конструкциях.

Сплав также применяется для лужения контактных площадок печатных плат и дорожек, обеспечивая защитное покрытие с хорошей адгезией к меди.

Изгиб тонкостенных труб

Одно из классических технических применений — наполнитель при изгибе тонкостенных труб из малопластичных металлов. Трубу заполняют расплавленным сплавом Вуда, дают ему затвердеть. Затвердевший сплав создаёт внутреннее противодавление при изгибе, предотвращая заломы и сплющивание стенок. После деформации сплав удаляется нагреванием — иногда достаточно кипячения в воде.

Прецизионное литьё и гальванопластика

Малая усадка и расширение при кристаллизации делают сплав пригодным для высокоточного литья моделей и мастер-форм. В гальванопластике сплав Вуда используют для изготовления выплавляемых стержней при формировании полых изделий. После гальванического наращивания слоя металла стержень выплавляется при нагреве.

Металлография и лабораторная техника

В металлографии сплав применяется для заливки шлифов. Высокая текучесть расплава и заполнение микронеровностей обеспечивают надёжную фиксацию образцов при подготовке к микроскопическому исследованию. В химических лабораториях сплав Вуда традиционно используется как рабочее тело низкотемпературных нагревательных бань.

Системы пожарной безопасности

Легкоплавкие элементы из сплава Вуда устанавливаются в спринклерных головках автоматических систем пожаротушения и датчиках пожарной сигнализации. При достижении пороговой температуры элемент расплавляется и освобождает механизм, запускающий подачу воды или тревожный сигнал.

Другие применения

Сплав Вуда также используется в медицинской технике (радиационные экраны, коллиматоры, формирование нестандартных отверстий для пучков излучения), при изготовлении легкоплавких предохранителей, в качестве уплотнительного материала для баллонов с газами и при создании металлических вкладок.

Преимущества и ограничения материала

Достоинства сплава Вуда

Сплав обладает рядом технологических преимуществ, определяющих его востребованность:

• Температура плавления 60–68,5 °С — одна из самых низких среди металлических сплавов. Это позволяет работать с термочувствительными деталями и использовать маломощное оборудование.
• Высокая текучесть расплава — сплав заполняет тонкие щели и точно воспроизводит рельеф формы.
• Малая усадка при кристаллизации, обусловленная расширением висмута при затвердевании.
• Высокая плотность расплава, обеспечивающая надёжное заполнение полостей.
• Хорошая смачиваемость медных, латунных и бронзовых поверхностей.

Ограничения и недостатки

При выборе сплава Вуда для конкретных задач необходимо учитывать следующие ограничения:

• Токсичность. Присутствие кадмия делает сплав токсичным. Пары расплава, содержащие кадмий, представляют опасность для органов дыхания, печени, почек и нервной системы. Работа с расплавом допускается только при контроле ПДК кадмия в воздухе рабочей зоны и наличии вентиляции.
• Свинец в составе также относится к токсичным тяжёлым металлам и требует соблюдения санитарных норм.
• Хрупкость. Сплав не выдерживает ударных и вибрационных нагрузок — в теле паяного соединения образуются трещины. Относительное удлинение составляет всего около 7 %.
• Низкая прочность. Предел прочности на разрыв — около 45 МПа, что значительно ниже конструкционных материалов. Паяные соединения на основе сплава Вуда не предназначены для несущих конструкций.
• Узкий рабочий диапазон температур. Сплав не способен длительно работать при температурах, приближающихся к точке плавления. Максимальная рабочая температура ограничена.

Сплав Вуда и сплав Розе: отличия

Сплав Розе — ближайший аналог сплава Вуда. Оба материала относятся к легкоплавким припоям на основе висмута. Принципиальное отличие: в составе сплава Розе отсутствует кадмий, что делает его значительно менее токсичным.

Выбор между двумя сплавами определяется конкретными условиями применения. Если необходима минимальная температура плавления (ниже 70 °С), используется сплав Вуда. Когда приоритетна безопасность (отсутствие кадмия) и допустима температура около 95 °С — предпочтительнее сплав Розе.

Формы поставки легкоплавкого припоя

Сплав Вуда выпускается в нескольких формах, удобных для различных технологических задач:

• Гранулы — наиболее распространённая форма для розничных и мелкооптовых поставок. Удобны для дозирования при пайке и лабораторных работах. Фасовка — от 50 г.
• Чушки и слитки — применяются на промышленных предприятиях при значительных объёмах потребления (литейное производство, изготовление предохранителей).
• Прутки — поставляются круглого, трёхгранного или квадратного сечения. Используются в гальванопластике и при заполнении труб для последующего изгиба.

Все формы выпуска изготавливаются по ТУ 6-09-4064-87. Продукция сопровождается паспортом качества с указанием фактического химического состава.

Техника безопасности при работе со сплавом

Сплав Вуда содержит два токсичных тяжёлых металла — кадмий и свинец. При работе с расплавом обязательно соблюдение следующих мер:

• Работа только в проветриваемом помещении или под вытяжкой. Пары кадмия при вдыхании поражают дыхательную систему, печень, почки и нервную систему.
• Использование средств индивидуальной защиты: перчатки, защитные очки. Контакт расплава с кожей недопустим.
• Контроль предельно допустимой концентрации (ПДК) кадмия в воздухе рабочей зоны.
• Хранение сплава в закрытой таре, исключающей контакт с пищевыми продуктами и питьевой водой.
• Утилизация отходов сплава по правилам обращения с отходами, содержащими тяжёлые металлы.

Краткая история создания

Сплав был создан и запатентован в 1860 году американским дантистом Барнабасом Вудом (Barnabas Wood). Изобретение иногда ошибочно приписывают физику Роберту Вильямсу Вуду, однако знаменитый учёный родился лишь в 1868 году и не является родственником настоящего изобретателя.

Ранее, в 1701 году, Исаак Ньютон описал трёхкомпонентный легкоплавкий сплав без кадмия (висмут–свинец–олово), плавящийся при 97 °С. Добавление кадмия Барнабасом Вудом позволило снизить температуру эвтектики до 60–70 °С.

В англоязычной литературе сплав также известен под коммерческими названиями Cerrobend, Bendalloy, Pewtalloy и MCP 158. На русском языке встречается написание «сплав Вуда», «металл Вуда» или «сплав Wood’а».