Проблемы пайки алюминия и его сплавов

Алюминий – это металл, который плавится при очень высокой температуре – 660°С. Он очень легкий, его плотность – 2,7 г/см³. У него нет полиморфного превращения. Обладает значительной теплопроводностью. У алюминия превосходная стойкость к коррозии при различных условиях атмосферы, а также к определенным кислотам.

У каждого материала есть модуль упругости. У алюминия он находится в промежутке от 65500 до 72400 МПа. Если данный металл нагреть, то модуль упругости понизится. Поэтому температура от 250 до 300 °С влияет на устойчивость конструкций из алюминия.

При начале плавления металла (солитусе) температура максимум 640 °С. Отчего сплавы могут перегреться. Если применяется пайка при высокой температуре, то временные промежутки нагрева должны быть ограниченные.

Рекристаллизация вышеуказанного металла и сплавов из него обладает температурой от 250 до 300 °С. Если сплавы были упрочненные наклепом, именно при данной температуре произойдет их разупрочнение.

Если для упрочнения сплава был выбрано “старение”, то когда данный сплав будут нагревать под пайку, он подвергнется разупрочнению, т.к. упрочняющие фазы подвергнутся коагуляции.

Поэтому для пайки выбираются алюминий и его сплавы со следующими элементами:

• Кремний.
• Кремний и магнием.
• Магнием и марганцем.

Редко выбираются сплавы с этими компонентами:

• Медью и марганцем (дюралюминий).
• Марганцем и цинком.
• Титаном, кремнием и медью.

Это потому, что температура нагрева, применяемая при закалке данных сплавов близка к температуре солидуса. Вследствие этого может произойти их пережог.

Даже если будет применена закалка спайки, то это прочности не добавит.

И в алюминии и в припоях содержится легкоплавные элементы. При их соединении образуется монотеистическая диаграмма состояния. У всех элементов будет совсем маленькая взаимная растворимость (кроме цинка).

Припои – медь, титан и магний- сходятся по химическому составу с алюминием, поэтому могут образовать хорошую эвтектику. Простая и пластичная эвтектика получается у алюминия с таким элементом, как кремний. Самая прочная эвтектика у алюминия с серебром, на последнем месте – Al—Mg—Сu.

Сначала для того, чтобы паять алюминий, применялись такие припои, которые использовались для различных медных сплавов. Но это попытка потерпела неудачу. Ранее считали, что алюминий нельзя паять. Дело в том, что оксид алюминия очень стоек.

При 20°С образовывается оксидная пленка. У внутреннего слоя кристаллическая решетка не достроена, поэтому если спайку долго держать на воздухе или 2 часа при 20°С и выше, происходит кристаллическая модификация. Основа наружного слоя – это пористый оксид.

Если алюминий:

• выдерживать при 500°С, то сформируется аморфный оксид.
• при 475°С от 10 до 12 часов, то часть оксида переходит в состояние кристаллизации.
• долго окислять при 475 °С, то оксид перейдет в вышеуказанное состояние полностью.
• погрузить в воду (60 °С), то сверху на нем появится пленка байерита.
• будет контактировать с водой, то возникнет гидрат оксида.

Свойства оксидной пленки зависит не только от ее состава, но и структуры.

Если взять температуру 20°С, то тогда теоретическая плотность оксида составит 3,97 г/см³.

Если температуры находятся в промежутке от 0 до 100, то в этом случае средний коэффициент линейного расширения составляет α= (6÷8) 10-6 °С-1.

Оксид плавится при высокой температуре , равной 2045°С, причем давление паров будет 455 Па. Закипает при 2980°С. При температуре 20°С коэффициент его теплопроводности составляет 30,145 Вт/(м·°С).

Если температура будет 2000 °С, то давление диссоциации 1,33·10-3 Па.

Так как используется газообразные среды, а оксид в них снова не появляется, то при пайке он испаряться не будет. Устойчив к различным кислотам и воде.

Если:

• сплав Al—Mg нагреть до 120°С, то на его поверхности появится пленка аморфного оксида.
• температура будет от 120 до 350°С, то γ-А12O3.
• более 400°С, то пленка будет двухслойная и вырастет: снизу – γ-А12O3, сверху – MgO .

Так как при нагреве оксида алюминия перестраивается кристаллическая решетка и изменяются физические свойства, то ее сплошность может нарушиться.

Поэтому, если используют для пайки легкоплавкие припои, что перед этим окисную пленку удаляют. Для этого используют флюс, например, 34-А.[:]