Припій

Припі́й (лют, люта, прилют) — метал, сплав (нелюд) або суміш оксидів, що застосовується для з'єднання металевих, мінерало-керамічних та інших деталей, для лудіння посуду тощо. Процес поєднання деталей за допомогою припою називається паянням. При паянні утворюється міцне з'єднання окремих деталей завдяки заповненню проміжку між ними рідким припоєм, який має нижчу ніж у деталей температуру плавлення, із подальшим його затвердінням.

Вибір припою В кожному конкретному випадку припій обирається в залежності від фізико-хімічних властивостей матеріалів, з яких виготовлені поєднувані деталі; від температурних обмежень; розмірів деталей; від вимог щодо потрібних якостей спаю (його механічної міцності, жаротривкості, корозійної стійкості, електропровідності, довговічності і загальної вартості), а також від способу паяння та технологічних умов її здійснення.

З'єднання металевих матеріалів виконується за допомогою металевих припоїв, а металевих матеріалів із неметалевими — за допомогою металевих припоїв із вмістом хімічно активних металів (наприклад, індію), або припоїв на основі оксидів (наприклад, склоприпої).

Найважливішими властивостями припоїв усіх видів є високі адгезійні та капілярні якості і висока плинність.

В залежності від технології здійснення паяння, розмірів та особливостей спаюваних деталей, припій може мати вигляд: дроту; прутків; трубок діаметром від 0,3 до 5 мм заповнених флюсом (каніфоллю); спеціальних стрічок фольги, яким заздалегідь надається форма відповідно до розмірів деталей (див. преформування припою); порошків; паяльних паст, які складаються із порошку припою і рідкого флюсу; суспензій.

Паяльні пасти та фольга зручні для застосування в умовах високоавтоматизованого безперервного виробництва електронних плат, в той час як паяльний дріт розраховано на ручне паяння.

Слюсарі-сантехніки часто використовують припій у вигляді прутів, товщина яких значно більша, ніж у дроту в електроніці. Ювеліри використовують припій у вигляді тонких листів, які вони надалі розрізують на шматки.

В аматорській практиці найбільш широко використовуються легкоплавкі припої.

Фізика паяння металевими припоями При поєднанні компонентів припійного сплаву в спеціальній пропорції сплав стає евтектичним, що означає його здатність плавитися і твердіти за єдиної, чітко визначеної температури; не евтектичні сплави мають помітно відмінні температури солідус та ліквідус, в проміжку між якими вони існують у вигляді «кашоподібної» пасти із твердих частинок серед рідкої фази із нижчою температурою плавлення. Якщо при паянні електричних деталей ці деталі змістяться відносно одна одної в той момент, коли припій не повністю затвердів і знаходиться в кашоподібному стані, між ними може утворитися поганий електричний і механічний контакт, спричинений зональною ліквацією. Під час зсуву починається прискорена кристалізація припійного сплаву, яка супроводжується відокремленням великих кристалів з ослабленими міжкристалічними зв'язками. В результаті формується розшарована неоднорідна структура сплаву із локальними точками напруги, які надалі здатні викликати руйнування з'єднання. Застосування евтектичних припоїв зменшує подібні проблеми, оскільки в них ліквації не спостерігаються і структура має однорідний дрібнокристалічний вигляд, що надає паяному з'єднанню, окрім іншого, кращу протидію повзучості та втомі і забезпечує більшу довготермінову надійність. Але з іншого боку, властивість не евтектичних сплавів перебувати в кашоподібному стані використовується при монтажі трубопровідної арматури, оскільки це дає змогу коригувати розподілення припою і змінювати його форму в процесі охолодження, що дозволяє пересвідчитися в тому, що між трубами утворився герметичний контакт і з'єднання є «сухим».

Контакт деяких металів та сплавів з рідким припоєм може підвищувати їхню крихкість унаслідок явища (також відоме як окрихчування). Суть ефекту полягає в тому, що в металі виникають мікроскопічні дефекти (мікротріщини, вакансії, дивакансії, пори тощо), які надалі сприяють формуванню тріщин та деформації твердого тіла. Дефекти починають відігравати роль капілярів, які адсорбують атоми поверхнево-активної речовини (припою) і слугують каналом для їх подальшого проникнення в об'єм твердого тіла. В результаті, рідкий припій призводить до деякого падіння міцності спаяних матеріалів.

Огляд припоїв В техніці використовується значна кількість припоїв із різними фізичними та хімічними властивостями на основі широкого набору елементів, зазвичай з класу металів (наприклад, олова, свинцю, міді, цинку, кадмію, нікелю, індію, сурми тощо), та інших речовин (зазвичай оксидів, як, наприклад, у склоприпоях).

Припої на основі олов'яно-свинцевих сплавів дуже широко використовувалися в минулому і ще й досі виробляються. Вони особливо зручні при ручному паянні, але свинець що входить до їхнього складу може негативно впливати на довкілля. З цієї причини здійснюється поступовий перехід на безсвинцеві припої, які, однак, з різних причин є менш придатними для ручного застосування (див. безсвинцевий припій).

За різними властивостями припої можуть поділятися на жароміцні, теплостійкі, кислотостійкі, спечені, композиційні тощо. Найпоширенішою є класифікація припоїв за температурами плавлення.

М'які припої У повсякденному вжитку під терміном припій найчастіше розуміється лише група м'яких припоїв із діапазоном температур плавлення від 90 до 450 °C. За температурами плавлення вони поділяються на: особливолегкоплавкі (менше 145 °C); легкоплавкі (від 145 до 450 °C). Паяння з використанням таких припоїв називається м'яким або низькотемпературним. Такий тип припоїв зазвичай застосовується в електроніці, в сантехніці (при монтажі трубопровідної арматури) та при з'єднанні металевих частин із великою площею контакту (листові матеріали) і малими механічними навантаженнями. Найпопулярніші в цій категорії сплави мають температури плавлення від 180 до 190 °C. Ручне паяння м'яких припоїв здійснюється із застосуванням паяльника або паяльної лампи.

Тверді припої Припої з температурами плавлення вищими за 450 °C називаються твердими, і відповідно до температур плавлення поділяються на: середньоплавкі (від 450 до 1100 °C); високоплавкі (від 1100 до 1850 °C); тугоплавкі (понад 1850 °C). Паяння з використанням таких припоїв називається твердим або високотемпературним, а інколи срібним. Найчастіше як тверді припої виступають сплави міді з цинком або із сріблом.

Срібний припій часто застосовується у виробництві для з'єднання металевих деталей, зварювання яких є з різних причин неможливим. Сплави, що використовуються при цьому, містять значну частку срібла (до 40 %) і можуть містити кадмій.

У ювелірній справі застосовується спеціальні тверді припої, які проходять металознавчу експертизу. Вони містять високу концентрацію тих металів, для спаювання яких вони призначені і при цьому не мають в своєму складі свинцю. Ці припої різняться за твердістю і визначаються як «емалювальні», «тверді», «середні» і «легкі». Припої для емалювання мають високу температуру плавлення, дещо нижчу ніж у основного матеріалу, для запобігання невимушеного відпаювання з'єднань в процесі емалювання. В процесі виготовлення виробу, припої інших типів використовуються в порядку зниження ступеня їх «твердості», для запобігання відпаюванню вже існуючих швів та з'єднань в процесі паяння нових ділянок. Легкий припій також часто використовується при ремонті з тих самих причин. Флюс або «ювелірні рум'яна» (оксид заліза (III), відомий як «залізний сурик») також застосовується для запобігання відпаюванню з'єднань.

При паянні твердими припоями необхідно застосовувати більш ефективні методи нагріву ніж звичайні паяльники. Придатним для цього електричним приладом є спеціальні кліщі для електроконтактного паяння, в яких з'єднувані деталі затискаються між вугільними електродами і через них пропускається великий струм. Також можуть використовуватися апарати газового зварювання, пристрої для індукційного плавлення вихровими струмами, а в окремих випадках і паяльні лампи.

Свинцеві припої

Олов'яно-свинцеві припої, що також називаються «м'якими», доступні з ваговими концентраціями олова від 5 % до 70 %. Чим більшою є концентрація олова, тим вищими у припою стають його границя міцності та границя зсуву. При паянні електричних кіл використовуються припої -60 (60/40, Олово/Свинець, Sn/Pb), що плавиться при 188 °C та ПОС-63 (63/37, Sn/Pb), який застосовується переважно в електроніці та електротехніці. Припій ПОС-63 є евтектичним сплавом, який: має найнижчу точку плавлення (183 °C) з усіх олов'яно-свинцевих сплавів; має чітку температуру плавлення, яка є «точковим» значенням, а не числовим діапазоном.

Додавання олова, яке є матеріалом дорожчим за свинець, покращує змочувальні властивості припійного сплаву; змочувальна здатність самого свинцю є низькою. Олов'яно-свинцеві припої з високою концентрацією олова широкого застосування не знаходять, оскільки усі бажані робочі характеристики повністю забезпечуються дешевшими припоями із високим вмістом свинцю.

Поверхня припою ПОС-60 (Sn60Pb40) окиснюється з утворенням складної чотиришарової структури: зверху оксид свинцю (IV), під ним шар оксиду олова (II) з дрібно розпорошеним свинцем, після якого шар оксиду олова (II) з дрібно розпорошеними оловом та свинцем, а під ними розміщений сам припійний сплав.

Застосування в сантехніці В країнах Заходу до 1980-х років багато сантехнічних робіт виконувалися з використанням олов'яно-свинцевих припоїв. Вони мали підвищений вміст свинцю, зазвичай 50/50. Перевага такого припою полягала в тому, що він твердів повільніше, що давало змогу рівномірно «розтерти» припій по всьому з'єднанню і тим самим пересвідчитися в його герметичності. Перед початком такого паяння труби фізично стикувалися між собою. Після усвідомлення усіх небезпек отруєння свинцем, у трубопровідних мережах свинцеві труби були замінені мідними, але при виконанні трубних з'єднань, свинцевий припій деякий час все ще продовжував використовуватися, оскільки вважалося, що кількість свинцю, яка може потрапити при цьому у воду, за умови правильного паяння, є незначною. Варто зазначити, що свинець та мідь утворюють електрохімічну пару, що своєю чергою прискорює корозію олова та свинцю, але олово при цьому виявляється захищене шаром нерозчинного оксиду. Оскільки свинець був визнаний шкідливим для здоров'я навіть у малих кількостях, у припоях для сантехнічних робіт його було замінено сріблом (харчової якості) або стибієм, інколи з додаванням міді, а частку олова було підвищено (див. безсвинцеві припої.)

Застосування в електроніці В електроніці, деталі на друкованих платах з'єднуються із провідниками і, відповідно, іншими деталями за допомогою припою. З'єднання компонентів, призначених для поверхневого монтажу, є дуже малими, через що в цих галузях поширилися паяльні пасти, які сильно потіснили класичний припій у твердому вигляді.

В цілому, якості та властивості олов'яно-свинцевих припоїв добре узгоджуються з вимогами радіоелектронної промисловості. Однак, тим не менш, їх застосування супроводжується рядом проблем: Олов'яно-свинцеві припої легко розчиняють золоті покриття на друкованих платах і утворюють при цьому крихкі інтерметаліди. Свинець, а певною мірою і олово, у тому вигляді в якому вони представлені у припоях, містять в собі малі, але відчутні кількості домішок радіоактивних ізотопів. Радіоізотопи, з якими відбувається альфа розпад становлять проблему, оскільки можуть спричиняти апаратні помилки в роботі обладнання. Особливо проблемним є полоній-210; свинець-210 шляхом бета розпаду перетворюється на бісмут-210, якій надалі, також через бета розпад, перетворюється на полоній-210, який є активним випромінювачем альфа частинок. Уран-238 та торій-232 також є значними забрудниками сплавів з вмістом свинцю.