ТЕХНОЛОГИЯ СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
   ПАЙКА
   ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

   Пайкой называют процесс соединения металлических деталей, находящихся в твердом состоянии, посредством расплавленного связующего металла или сплава — припоя, имеющего более низкую, чем соединяемый основной металл температуру плавления. Между расплавленным припоем и основным металлом происходят иа небольшой глубине процессы взаимного растворения и диффузии, в результате которых при застывании получается прочное соединение деталей.
Химикаты, применяемые при пайке для облегчения соединения металлов и способствующие удалению окислов из места пайки, называют флюсами.
Рабочей температурой припоя является та температура, до которой должны быть нагреты припой и спаиваемые поверхности деталей, чтобы соединение их стало возможным. Обычно эта температура находится несколько выше температуры ликвидуса припоя.
Температурой активности флюсов назы¬вают ту наименьшую температуру, при которой они выполняют свои функции.
Работы, проводимые при температуре, меньшей чем 450° С, относятся к пайке мягкими припоями, а выполняемые при температурах выше 450—650⁰ С — к пайке твердыми припоями.

   ПРИПОИ
   Из основных определений рассматриваемого процесса становятся ясными главные задачи пайки, а также условия, необходимые для выполнения этих задач.
   1. Припой должен плавиться в то время, когда основной металл еще находится в твердом состоянии.
Металлы и сплавы с высокой температурой плавления паяют твердыми припоями, а низкоплавкие — мягкими припоями.
Разница температур плавления припоя и основного металла должна быть не менее 50° С. При изготовлении филигранных изделий опасность местного перегрева настолько велика, что указанная разница между температурами плавления должна быть значительно больше 50° С.
   2. Жидкий припой должен хорошо растекаться по спаиваемому металлу.
   Иногда ювелиры во время пайки наблюдают следующие явления: припой во время пайки превращается в шарик вместо того, чтобы распределиться по всему месту пайки и заполнить стык. Это явление обусловлено различными причинами и чаще всего силами поверхностного натяжения. Место пайки необходимо предварительно нагреть до нужной температуры и затем производить пайку.    Иногда причиной недостаточного смачивания является большое различие между структурами припоя и основного металла, а также наличие пленок окислов и загрязнении на поверхности припоя или детали.
Поверхность металлических деталей всегда имеет микронеровностн, не видимые невооруженным глазом, которые образованы следами предшествующей обработки, например шлифования, и выступами конечных плоскостей кристаллической решетки, напоминающими при сильном увеличении скалистый ландшафт с острыми вершинами.
   Припой в расплавленном состоянии должен заполнить все эти неровности, растворив особенно далеко выступающие части.
   3. Соединение припоя с основным металлом должно быть долговечным.
Прочность и долговечность паяного соединения зависит от способности припоя смачивать основной металл и от сродства припоя и основного металла.

   В процессе пайки происходит диффузия расплавленного при¬поя в нагретый основной металл. При продолжительном нагреве или при последующем отжиге после пайки диффузия значительно повышается. Припой имеет первоначальную структуру только посередине соединения, а в краевых зонах шов Sn обогащен кристаллитами спаиваемого металла. На границе основного металла также образуется узкая смешанная зона, и только за ней видна его нормальная структура. Практически эти зоны могут выглядеть различно. Припой может смешаться с основным металлом вплоть до своей срединном зоны; можно и совсем ие обнаружить смешанную зону в спаянном шве, если ее ширина меньше величин, различаемых под микроскопом

   Мягкие припои. 
   Почти все важные для техники мягкие припои являются сплавами системы олово—свинец. При температуре 183.3° С образуется эвтектика, содержащая 61,9% олова. Для улучшения свойств припоев к олову и свинцу добавляются незначительные количества других металлов. В производстве ювелирных изделий обычно применяются припои с содержанием олова от 50 до 60%.
В качестве особенно низкоплавких припоев иногда используют «металл Вуда» — сплав, состоящий из четырех частей висмута, двух частей свинца, одной части олова и одной части кадмия. Рабочая температура этого припоя равна 61⁰ С, т. е. он может плавиться даже в горячей воде.

    Твердые припои 
При изложении материала по благородным сплавам рассматриваюсь влияние присадочных металлов на структуру и свойства этих сплавов. На основе проведенных иссле¬дований указывалось, что наиболее подходящими присадками для снижения температурного интервала плавления сплавов на основе золота и серебра являются цинк и кадмий Фактически большинство твердых припоев для благородных сплавов леги¬руется этими же присадками.

   ФЛЮСЫ
   Действие флюсов.

   При нагреве на поверхности большинства металлов образуются пленки окислов. Хотя перед пайкой окисные пленки механически удаляются шабровкой, но остатки окислов должны быть растворены флюсами, которые снижают также воз¬можность образования новых окислов.
   Таким образом, в процессе пайки флюсы должны выполнить следующие задачи:
   1) растворить имеющиеся остатки окислов;
   2) защитить места пайки и припой от окисления посредством глазуревидного покрытия;
   3) способствовать повышению жидкотекучести припоя.
   Чтобы решить эти задачи, флюсующие средства обязаны удовлетворять следующим требованиям.
   1. Рабочая температура припоя и температура действия флю¬сов должны быть согласованы между собой.
Температура, при которой флюс растворяет окислы, должна быть несколько ниже, чем рабочая температура пайки. Кроме того, скорость реакции, т. е. темп растворения окислов должен быть выше, чем скорость пайки. Пайка должна проводиться достаточно быстро, чтобы помешать появлению новых окислов.
   2. Флюсы должны иметь возможно низкую вязкость и умеренное поверхностное натяжение.
От вязкости флюса зависит его подвижность. Вязкость должна быть достаточно низкой, чтобы не препятствовать растекам припоя, но, с другой стороны, она должна быть и достаточно велика, чтобы флюс, как единый защитный слой, надежно покрывал припой и место пайки. Ясно, что материал, который, обладать высоким поверхностным натяжением как ртуть, скатывается в шарики, непригоден в качестве флюса. Хороший флюс должен иметь низкое поверхностное натяжение, чтобы он мог в расплавленном состоянии хорошо смочить и покрыть поверхность основного металла.
   3. Флюсующие средства должны полностью ошлаковывать загрязне¬ния и отводить их из зоны пайки. Недостаточно, если флюс только растворяет остатки окислов, он должен также уда¬лять продукты растворения от места пайки. В противном случае вязкий слой шлака будет снижать подвижность припоя и препятствовать активному действию новых порций флюсующих материалов на поверхность металла.

   Флюсы для мягких припоев. 
  Под этими флюсами имеются в виду все те флюсы, температура действия которых достаточно низкая, чтобы применять их при использовании мягких припоев. Хлористый цинк — ZnCl₂. Этот флюс представляет собой белую соль, легко растворимую в воде. Она гигроскопична и при температуре, равной 283° С, превращается в жидкотекучую массу. При взаимодействии флюса с водой (для этого достаточно влажности воздуха) образуется хлористый водород
   ZnCl₃ + Н₂О → ZnO + 2НСl.
Полученный газ растворяет окислы в месте пайки и превращает их в хлориды по реакции
   2НС1 +CuO → CuCl₂ +H₂0.
   Плавящийся хлористый цинк должен быть также в состоянии поглотить окись цинка и хлориды, образовавшиеся из окислов металлов. Остатки этого флюса могут вызывать коррозию металла и поэтому должны удаляться тщательной промывкой после пайки
Нашатырь (хлористый аммоний) — NH₄C1. Нашатырь -белая растворимая в воде соль,- которая применяется внес с хлористым цинком в виде жидкого флюса.

   Паяльная жидкость.

   Самый простой способ изготовления паяльной жидкости заключается в растворении отходов л истово цинка в соляной кислоте до насыщения
2HCI + Zn → ZnCl₂ + H₂↑.
Насыщенный раствор разбавляется водой в отношении 1:1, Температура действия паяльной жидкости, однако, соответствует точке плавления соли (ZnCl₂), равной 283° С. Добавлением хлористого аммония достигается значительное понижение температуры плавления флюса, которое можно регулировать соотношением обоих компонентов флюса. При содержании хлористого аммония 28 % и хлористого цинка 72% достигается минимум температуры плавления, равный 180° С. Благодаря соединению этих солей при высоких температурах происходит отделение газа — хлористого водорода с образованием, кроме того, аммониевых хлоридов цинка Zn(NH₃)₂Cl₂ и Zn(NH₃)Cl₂, которые еще больше способствуют процессу пайкн
ZnCl₂ + NH₃Cl → Zn(NH₃)C_l2 + НС1

   Практически изготовление такой жидкости для пайки происходит так, что обе соли берутся в нужном соотношении и растворяются в воде. Применение этого жидкого флюса для пайкн бла¬городных металлов нежелательно по указанным выше соображениям для хлористого цинка.
   Канифоль — C₂₀H₃₀O₂.

   Она добывается из смолы хвойных деревьев и представляет собой мягкую желтую смолу, которая плавится в зависимости от состава при температурах 100—200⁰ С. В противоположность до сих пор рассмотренным флюсам канифоль совершенно безвредна при пайке благородных металлов. Она растворяет имеющиеся окислы в значительно меньшем объеме, чем паяльная жидкость. Применяется только после основательной зачистки мест пайки и при высокой скорости последней.
Флюсы для твердых припоев. 
К ним относятся химикаты, используемые в качестве флюсующих материалов при пайке твердыми припоями.

   Борная кислота и бура. 
Бура — это классический флюс ювелира данной категории.
Борную кислоту ювелир при пайке применяет тогда, когда полированная вещь должна сохранить свой блеск, несмотря на пайку, и когда нужно парностью избежать окисления ее поверх¬ности.
Борная кислота и бура образуют при нагревании расплав в виде глазури, который во время пайки распадается с образова¬нием трехокиси бора — B₂O₃. Трехокись бора реагирует с окис¬лами металлов с образованием солен борной кислоты, например:
СuО + В₂0₃ → Сu(ВО₂)₂.
   В борной кислоте при температурах ниже 900⁰ С эти продукты растворения осаждаются в виде плотного слоя на поверхности металла. Благодаря этому поверхность получает защитный слой, но зато новые частицы трехокиси бора не смогут теперь попасть к месту пайки, где образовались окислы. Только тогда, когда температура становится выше 900° С, жидкотекучесть флюса повышается и лученные бораты могут вновь соединяться с трехокисью бора.
   Бура распадается при переходе точки плавления на трехокись бора и метаборат натрия. Трехокись бора растворяет окислы и загрязнения металла, как это описано при действии борной кислоты, образуя метабораты. Вновь образованные метабораты растворяются имеющимися метаборатами натрия н отводятся ими прочь от места образования, чтобы новые частицы трехокиси бора могли приблизиться к окисленному слою металла и также вступить с ним в реакцию. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока все окислы не будут растворены полностью.
   Для улучшения действия буры и снижения температуры актив¬ности флюса к ней добавляют фтористые соединения.

   ПАЙКА МЯГКИМИ ПРИПОЯМИ
   Общие соображения.

   Каждый ювелир должен считать своей основной задачей, как можно реже прибегать к пайке оловянным припоем, используя в основном твердые припои.
   В процессе изготовления новых деталей иногда приходится выполнять панку оловом, которая имеет следующие недостатки:
   1) прочность соединения при пайке оловом меньше, чем при панке твердым припоем;
   2) после пайки оловом невозможно производить в дальнейшем пайку твердым припоем, потому что оловянный припой при высокой температуре сильно окисляется и разъедает основной металл.
   3) при попадании остатков оловянного припоя в шихту для переплава благородных металлов весь получаемый сплав становится хрупким и практически бесполезным.
   Учитывая изложенное, не следует ни в коем случае хранить вместе оловянный припой с благородными металлами и инструментом, предназначенным для их обработки.
Поэтому необходимо:
   1) все шаберы, напильники, а также вспомогательные инструменты и средства, необходимые для паяния, хранить в особом ящике;
   2) прежде, чем начать работать с оловянным припоем, нужно освободить рабочее место
   3) отдельно хранить металлические опилки и отходы, содержащие оловянный припой; никогда не держать их вместе о обычными остатками от опиловки.
    Зачистка (фришевание).

   При проведении любой пайки места спая должны быть тщательно зачищены.
    Самый простой и чаще всего применяемый метод зачистки состоит в удалении пленки окислов трехгранным шабером отовсюду, где должна происходить пайка. При этом надо следить, чтобы не оставалось заусенцев и остатков старого припоя. Можно успешно применять и другие механические или химические методы очистки: травление или очистку проволочной щеткой, обработку стеклянной щеткой, напильником, наждаком, фрезами и т. д. Чем чище соединяемые поверхности, тем выше качество пайки.

   Пригонка
   Спаиваемые части располагаются друг перед другом. Расстояние между ними должно быть незначительным, по с другой стороны, должно еще оставаться достаточно места для припоя. Если на готовом изделии должна быть смонтирована на оловянном припое оправа или ободок, то нужно позаботиться о том, чтобы на украшении заранее была припаяна твердым припоем точно пригнанная внутренняя или наружная рамка (рис 65а), к которой и крепится оправа, припаиваемая оловом по возможно большей поверхности.

Рис. 65 Примеры увеличения поверхности спая при пайке мягким металлом

   Если нужно спаять два конца проволоки встык, то для увеличения поверхности спая нужно подложить металлическую полоску, которая с одной стороны припаяна твердым припоем к концу проволоки. Еще лучше установить подходящую (почти без зазора) трубку на спаиваемое место (рис. 65, 6, е). Но иногда во время ремонта все же нельзя обойтись без того, чтобы не спаять шинку кольца оловом, так как каст в верхней частя кольца заполнен чувствительными к высокой температуре камнями, которые нельзя вынуть, а затем положить вновь. В таких случаях изготавливают из тонкого металлического листа трубку так, чтобы внутренний размер трубки соответствовал внутреннему диаметру кольца. На поверхность трубки припаивают мягким припоем верхнюю часть кольца, затем насаживают на среднюю часть трубки шинку и припаивают ее оловянным припоем.
   В заключение отпиливают выступающие части трубки. Отремонтированное таким надежным способом кольцо будет долго носиться (рис. 65, г). Часто бывает необходимо скрепить отдельные детали украшения, например пластинки с эмалью, посредством штифтов, которые припаиваются твердым припоем, и в таком виде все части украшения отделываются вплоть до полировки. В этом случае продевают штифты, имеющие несколько большую длину чем нужно, сквозь точно подогнанные отверстия основания (рис. 65, д). Затем надевают на штифты маленькие колечки, согнутые из четырехгранной проволоки, и накрепко припаивают их оловянным припоем к основанию украшения и нижней части штифтов. В заключение отпиливают концы штифтов и полой отделочной полушаровой фрезой обрабатывают из колечка и основания штифта сферическую головку, подобную заклепочной.

   Фиксация деталей при пайке. 
   Иногда достаточно, если отдельные детали, расположенные на подкладке для пайки — асбестовом листе или куске древесного угля, устанавливаются вместе или надвигаются одна на другую, а затем спаиваются. В других случаях детали удерживают обычными круглогубцами или особой цангой для пайки. Преимущество последнего способа заключается в том, что предмет свободно удерживается рукой и надобность в подкладках отпадает. Можно применять также для удерживания соединяемых деталей зажимы, пришпиливание булавками, связывание проволокой и другие методы, описанные ниже при пайке твердыми припоями.

    Практические приемы пайки. 
   Флюс следует наносить на всю поверхность спая. Жидкие флюсующие вещества наносят кисточкой, а пастообразные — маленьким шпателем.
   При пайке паяльником  припой берут острием горячeгo паяльника и переносят на место панки. Для этого сначала проводят ребром горячего паяльника несколько раз по куску нашатыря, пока оно не заблестит, а затем надавливают острием паяльника на конец прутка припоя, тогда небольшое количество припоя расплавляется и остается на паяльнике. В процессе пайки нужно обращать внимание на то, чтобы паяльник был достаточно горячим и на его острие находилось бы достаточное количество олова.
   Острием паяльника проходят по стыку; при легком передвижении острия паяльника основной металл нагревается в месте соединения до температуры, нужной для выполнения работы, после чего припой стекает на место соединения. Припой поддерживается в жидкотекучем состоянии теплом, непрерывно подводимым паяльником, и затекает встык. Если зазор велик и количество припоя на паяльнике недостаточно для его заполнения, то берут новую порцию олова указанным выше способом и переносят его в шов.
   Перед проведением пайки горелкой пруток припоя прокатывают до нужной толщины, затем его разрезают на полосы, которые должны быть узкими, длинными и достаточно тонкими.

   Во всех случаях пайка будет более удачной, если одна из двух спаиваемых частей уже предварительно покрыта по соединяемой поверхности гладким слоем припоя (облужена) При пайке горелкой одновременно накладывают флюс и кусочки припоя таким образом, чтобы припой лежал непосредственно на стыке и при нагреве мягким пламенем равномерно распределялся по шву. Количество припоя нужно рассчитать таким образом, чтобы зазор был хорошо заполнен и не оставалось ненужного остатка
   В зависимости от вида изделия и особенностей шва применяют тот или иной характер пламени. Так как пайка оловянными припоями не требует высокой температуры, то ее можно выполнить быстро газовым паяльным пистолетом Короткое острое пламя применяют в тех случаях, когда надо быстро вы¬полнить небольшую пайку и избежать нагрева расположенных близко камней.
   Целесообразнее для пайки оловом использовать мягкое шумящее пламя, которым проводят поперек предмета до тех пор, пока припой не расплавится и равномерно заполнит шов
   Если при первой попытке заполнение шва не происходит, или расплавленный припой течет в непредусмотренном направлении, то неправильно пытаться заставить его течь в шов путем повыше¬ния жара пламени. В этом случае припой покроется слоем окиси, «сгорит» и станет совершенно непригодным. Поэтому, если пайка по каким-либо причинам не получилась, помогает лишь одно: необходимо снова зачистить места пайки, нанести новый припой, новый флюс и повторить процесс пайки.

   Зачистка паяного шва. 
   Весь излишний припой, который после пайки находится возле шва и на нем, должен быть удален Опытному паяльщику будет нетрудно вести работу по очистке изделия, потому что он положит столько припоя, сколько нужно, чтобы заполнить зазор, и умелым направлением пламени горелки он вынудит припой проникнуть в шов, не загрязняя все изделие. Но, несмотря на это, всегда остаются небольшие остатки припоя, которые удаляют острым шабером, штихелем, напильником и т. п. режущими инструментами.
Травление и все другие последующие химические методы обработки здесь не нужны, потому что пайка происходит при более низкой температуре, чем температура отжига и окисления сплавов благородных металлов, изделие не перегревается и, следовательно, изменение наружной поверхности основного металла в этом случае исключено.

   ПАЙКА ТВЕРДЫМИ ПРИПОЯМИ
   Общие сведения. 
   Пайка твердым припоем, как показывает само название, обеспечивает более прочное соединение спаиваемых частей. Высокие пластичность и ковкость припоя, глубоко проникающего в основной металл, позволяют выдерживать значительные механические напряжения в спаянных местах при прокатке, ковке, гибке, выколотке и т. п.
   Вследствие того, что припой и основной металл имеют значительно меньшую разность температур плавления, этот метод требует проведения подготовительных операций в большом объеме, основательных знаний и наличия определенного опыта работы

    Очистка 
   Все, что сказано о подготовке поверхности к пайке мягким припоем, относится целиком и полностью и к пайке твердым припоем Необходима абсолютная чистота того места, где будет производиться пайка. Плохо влияют на пайку ювелирных изделий не только пленки окислов, но и остатки жира или смазки. То и другое должно быть тщательно удалено.

   Пригонка
   Все соединяемые части, в которых имеются остаточные напряжения в результате предшествующей обработка, должны прежде всего подвергнуться отжигу. В противном случае может учиться, что звено (ушко) расширится в зазоре из-за внутренних напряжений или запаиваемая оправа при нагреве перекосится так, что спаиваемые концы не удастся установить друг против друга.
   Все замкнутые пустотелые детали должны иметь небольшие отверстия в незаметном месте, чтобы при нагреве воздух мог из них удаляться, в противном случае деталь во время паяния может вспучиться или лопнуть.
   Очевидным является и то, что правильно выбранный зазор уменьшает ненужную последующую работу. Ширина зазора от 0,1 до 0,2 мм гарантирует успех работы. При рассмотрении пайки мягкими припоями было показано несколько возможных вариантов увеличения поверхности соединения. Вследствие более высоких механических свойств шва, спаянного твердым припоем, не нужно так увеличивать поверхности соединения, как при пайке мягкими припоями. Однако при пайке тонких противостоящих частей таких изделий, как изящные звенья цепочек, тонкие оправы и даже шинки колец, подвергаемых большим напряжениям, целесообразно выполнять стык со скосом или наклонно (рис. 68, а) несколько увеличивая поверхность шва.

Неправильно                            Правильно

Рис. 68, а