ВЫСОКОПРОЧНЫЙ СПЛАВ ПРИПОЯ Российский патент 1999 года по МПК B23K35/26 C22C11/06 

Изобретение относится к высокопрочному сплаву припоя, имеющего высокую механическую прочность.

Известен высокопрочный сплав припоя, механическая прочность которого выше прочности припоя по патенту Японии 67552/1993.

В вышеупомянутом патенте Японии в предложенном составе высокопрочного сплава припоя общее процентное соотношение по весу Ag и Ge составляет от 0,8 до 7.0% вес. (причем как процент Ag, так и Ge больше чем 0% вес.), что выразилось в значительном увеличении механической прочности сплава припоя.

За счет добавки Ge в указанный сплав по патенту Японии 67552/1993 улучшаются механические свойства. Однако при использовании в процессе паяльных работ паяльника, пруток которого изготовлен из меди и покрыт железом, Ge, добавленный в сплав припоя, и Fe, который покрывает поверхность паяльника, реагируют друг с другом, в результате чего на поверхности паяльника легко образуется неудаляемый слой соединения.

Для того, чтобы решить эту проблему, авторы исследовали материал добавки, необходимый для увеличения механической прочности сплава припоя и установили, что добавка Si является эффективной.

Добавка металла с высокой точкой плавления, например Si (1414^oC) к Sn-Pb сплаву припоя (температура плавления эвтектики 183^oC) может быть новой. Но в результате многих исследований стало ясно, что добавка очень малых количеств Si к сплаву припоя оказывает большое влияние на характеристику сплава припоя.

Добавка Si в количестве от 0,0005 до 0,35% вес. дает следующие эффекты:
- прочность паяного соединения, которое содержит сплав припоя, включающего Si, по крайней мере в два раза выше, чем известных соединений;
- Si вызывает улучшение смачивающих свойств сплава припоя, что особенно важно при припаивании в том случае, когда сплав припоя дополнительно содержит очень малое количество Pb, эффект улучшения свойства смачивания становится еще более заметным;
- когда паяльные работы осуществляют с использованием известных паяльников с прутком, изготовленным из меди, покрытым железом, и сплав припоя содержит Si, на поверхности паяльного прутка не образуется никакого слоя химического соединения, хотя паяльные работы продолжаются в течение длительного периода времени;
- вследствие эффекта сильной восстановительной способности Si, содержащегося в сплаве припоя, в паяном соединении не образуется никаких раковин, что ведет к увеличению надежности паяного соединения.

Таким образом, добавка кремния дает сплаву припоя эффект, являющийся следствием восстановительной способности Si. Полагают, что в качестве восстанавливаемых элементов, которые могут придать сплаву припоя восстановительный эффект, обычно используют AL, Mn, Si, Pb и т.п., но Al и Mn не могут дать сплаву такой же эффект и вызывают образование неудаляемого окисного слоя на поверхности припаиваемых деталей и поэтому они практически не могут использоваться в качестве восстанавливаемых элементов.

Pb практически уже используется в качестве элемента добавки к сплаву припоя, но его восстановительный эффект меньше, чем у Si.

Хотя точка плавления сплава припоя равна 183^oC, температура или точка плавления кремния равна 1414^oC. Соответственно для того, чтобы добавить Si к сплаву Sn-Pb припоя, предпочтительнее использовать соединение или сплав, температура которого ниже, чем температура плавления Si, например, сплав Ca-Si, в частности CaSi₂, температура плавления которого 1012^oC. При таком способе Ca остается в сплаве припоя вместе с Si и способствует увеличению прочности сплава припоя, очень заметного, особенно в случае сплава припоя, содержащего Pb.

Известно, что Ca добавляют к сплаву на основе Pb (сплав Бана), который является подшипниковым (антифрикционным) сплавом, с целью увеличения его прочности.

Кроме того, известен высокопрочный сплав припоя, содержащий кремний, олово и свинец (SU 1785858, 07.01.93).

Задачей изобретения является создание высокопрочного сплава припоя, механическая прочность которого и характеристики смачивания которого гораздо выше.

Высокопрочный сплав припоя согласно изобретению отличается тем, что он дополнительно содержит серебро и висмут при следующем соотношении компонентов мас.%:
Кремний - 0,0005 - 0,008
Олово - 20,0 - 95,0
Серебро - 0,001 - 5,0
Висмут - 0,001 - 10,0
Свинец - Остальное
Сплав припоя согласно изобретению характеризуется следующими эффектами:
(1) Прочность паяного соединения, содержащего сплав припоя с Si в нем, по меньшей мере в два раза выше, чем у соединений с обычным припоем;
(2) Si увеличивает свойство смачивания припоя, что очень важно при пайке. Присутствие очень небольшого количества Pb делает этот эффект более заметным.

(3) При осуществлении паяльных работ с использованием обычного паяльника, имеющего паяльный пруток с медью, покрытой железом, на поверхности паяльного прутка не образуется никакого слоя соединения, что дает возможность использовать его в чистом состоянии в течение длительного периода времени.

(4) Поскольку добавляемый Si имеет присущее ему свойство сильной восстановительной способности, то при осуществлении паяльных работ с использованием сплава припоя, содержащего Si, образование раковин, которые имеют тенденцию к образованию в любом другом случае, в паяном соединении может быть совершенно исключено. Даже если содержание Si очень мало, как, например, 0,0005% вес., его аддитивный эффект может быть выражен совершенно ясно.

(5) С точки зрения окружающей среды не содержащий Pb сплав припоя в настоящее время совершенно необходим, новый сплав припоя, содержащий Si согласно настоящему изобретению, способствует усовершенствованию Sn-Pb сплава припоя с низким содержанием свинца.

Наилучшие условия эксплуатации изобретения.

Далее настоящее изобретение поясняется более подробно со ссылкой на некоторые его варианты.

В одном из вариантов к сплаву припоя, содержащего Pb порядка 10% вес. и Sn порядка 90% вес., добавляли CaSi₂ в качестве содержащего Si сплава так, чтобы содержание Si могло быть 0,003% вес.

Был выполнен шов припоя, включающий жир, используя сплав припоя, содержащий Si, и проведены испытания на растяжение (JISZ-3197 - 1986). Испытуемый образец помещали на проверочную плиту и нагревали его до температуры, которая на 40-50^oC выше температуры его жидкой фазы, выдерживали его в расплавленном состоянии в течение около 30 секунд и затем размазывали его по поверочной плите. Затем с помощью планиметра измеряли площадь распространения сплава припоя после испытаний.

Согласно результатам этого испытания, в то время как площадь распространения для Sn-Pb сплава без любых других элементов (Sn 90% вес., Pb 10% вес.) составляла 1,8 см², площадь распространения сплава припоя данного варианта составляла 2,2 см², что примерно на 20% выше, чем ранее полученное улучшение свойства растягивания.

Затем, используя два типа сплавов, выполняли два ряда припоя диаметром 1 мм для испытаний и проводили с ними испытания на растяжение. Согласно результатам испытаний, в то время как прочность на разрыв Sn-Pb сплава (Sn 90% вес. , Pb 10% вес>) составляла 5,3 кг•см/мм², прочность на разрыв для сплава припоя по настоящему изобретению составляла 7,8 кг•см/мм², что примерно на 43% выше, чем прежняя.

Затем был проверен другой вариант, касающийся улучшения механической прочности паяного соединения, содержащего Si. К сплаву припоя, содержащему Sn 63% вес. и Pb 37% вес., добавляли Si и Ag таким образом, чтобы содержание Si и Ag составило 0,008% вес. и 1,68% вес. соответственно. В этом случае Si добавляли к сплаву припоя в присутствии Ag-Sn эвтектического сплава (температура плавления 830^oC). Также был изготовлен испытательный образец из обычного сплава припоя - Sn-Pb (Sn 60% вес., Pb 40 вес.) в таких же самых условиях для сравнения. Был выполнен шов припоя диаметром 1 мм для каждого сплава.

Согласно результатам испытаний на растяжение этих сплавов, в то время, как прочность на разрыв обычного сплава припоя без Si составляла 4,2 кг•см /мм², прочность на разрыв сплава припоя, содержащего Si по настоящему изобретению составляла 6,8 кг•см/мм², что примерно на 62 выше прежней.

Сплав может быть использован при проведении паяльных работ. Сплав припоя включает следующие компоненты, мас.%: кремний 0,0005 - 0,008, олово 20,0 - 95,0, серебро 0,001 - 5,0, висмут 0,001 - 10,0, свинец - остальное. Сплав имеет высокую механическую прочность и превосходные смачивающие свойства.

Высокопрочный сплав припоя, содержащий кремний, олово и свинец, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кремний - 0,0005 - 0,008
Олово - 20,0 - 95,0
Серебро - 0,001 - 5,0
Висмут - 0,001 - 10,0
Свинец - Остальное