Состав припоев влияет на электрические параметры паяемых приборов, поэтому при выборе припоев следует учитывать их электрофизические свойства, например электропроводность, температурный коэффициент линейного расширения.

Состав припоев, используемых для низкотемпературной пайки полупроводников, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Составы низкотемпературных припоев, применяемых при пайке германия и кремния

В качестве флюсов используют спиртовые и водные растворы хлористого цинка и хлористого аммония или вазелиновой пасты (бескислотные флюсы – раствор канифоли в спирте). При высокотемпературной пайке применяют флюсы на основе буры.

Диффузионные процессы между припоем и полупроводником способствуют образованию соединений, увеличивающих переходное сопротивление термоэлемента, поэтому время контакта полупроводника с припоем в процессе лужения и пайки должно быть предельно ограниченным. Отклонение температуры нагрева при пайке не должно превышать 2-3 °С.

III Пайка графита

Небольшая плотность графита, высокая теплопроводность, близкая к теплопроводности металлов, а также более высокая термостойкость, чем у большинства керамических материалов, обусловили его применение в различных отраслях техники. С повышением температуры до 2000 – 2500 °С прочность графита возрастает; при этих температурах он имеет наибольший предел прочности из всех известных материалов.

Использование графитовых и комбинированных конструкций определяется способом их соединения. Известно механическое крепление, склеивание, сварка и пайка. Пайка является наиболее технологичным и экономически выгодным методом соединения графитовых материалов, обеспечивающим получение высокопрочных, электропроводных и герметичных соединений.

Физико-механические свойства графита зависят от вида исходного сырья и параметров технологического процесса его получения.

Для соединения графита может применяться капиллярная, контактно-реактивная, диффузионная пайка и пайко-сварка.

Графит удовлетворительно смачивается тугоплавкими металлами (титан, цирконий, кремний, гафний, ванадий, ниобий, вольфрам, молибден), металлами группы железа, алюминием, а также кремнием и бором.

Основной стадией процесса пайки графита с металлами является его пропитка расплавленным припоем. Образующийся при этом металлический каркас определяет прочность паяного соединения.

Трудность соединения графитовых материалов с металлами обусловлена существенным различием их теплофизических и физикомеханических характеристик: теплопроводности, модуля упругости, прочности и особенно теплового расширения.

Вследствие различия температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) металлов и графита при пайке возникают значительные внутренние напряжения. Поскольку графит – сравнительно хрупкий и малопрочный материал, то возможно разрушение графитовой детали в зоне соединения. Снизить уровень внутренних напряжений в соединении можно при выполнении следующих условий:

· уменьшение температуры пайки;

· подбор материалов, максимально близких по ТКЛР к графиту в диапазоне температур нагрева;

· применение пластичных припоев или промежуточных прослоек из молибдена, вольфрама, титана, циркония, сплава 29НК, предел упругости которых ниже или близок к пределу прочности при растяжении графитового материала;

· выбор конструкции соединения, при котором на графит воздействуют только напряжения сжатия;

· создание неравномерного температурного поля, при котором на графит воздействуют только напряжения сжатия;

· создание неравномерного температурного поля, при котором металлические детали нагреваются при пайке до более низкой температуры, чем графитовые.

Пайка графита со сталями

Сталеграфитовые конструкции имеют различное значение: узлы крепления графитовых катодов и анодов к токопроводящим медным или алюминиевым шинам металлургических печей и электролизных ванн для выплавки цветных металлов; торцовые уплотнения, подпятники, радиальные и упорные подшипники аппаратов, работающих в среде жидких углеводородов; теплообменники ядерных реакторов; узлы сочленения камер сгорания и графитовых рулей с металлической арматурой.

При контактно-реактивной пайке сплавов железа с графитом происходит диффузия активных карбидообразующих компонентов сплава в зону спаев с образованием пограничных слоев, обогащенных карбидами этих элементов.

Оптимальный режим контактно-реактивной пайки графита плотностью 1,6 – 1,9 г/см3 с низкоуглеродистой сталью следующий: нагрев со скоростью более 100 °С/мин до 1150÷1200 °С, выдержка при этой температуре 1-2 мин, охлаждение в печи или на прессе горячего прессования при отключенном токе, давление сжатия (1,5÷1,7)*107 Па.

Пайка графита с высоколегированными сталями ограничена их толщинами (не более 15 мм). Оптимальный режим пайки следующий: температура нагрева 1270÷1350 °С, выдержка 2 – 10 мин в вакууме 13,3 – 1,33 Па или в атмосфере защитных газов.

В зависимости от назначения изделий для соединения графитовых и стальных материалов применяют низко- или высокотемпературную пайку.

Низкотемпературную пайку используют в основном при изготовлении торцовых уплотнений, подпятников, радиальных и упорных подшипников, рабочая температура эксплуатации которых не превышает 200÷250 °С. При этой пайке применяют припои на основе олова, свинца, висмута, кадмия и сурьмы. Перечисленные припои не смачивают чистый графит, поэтому они рекомендуются для пайки графита с предварительно нанесённым покрытием. В качестве покрытий наиболее часто применяют медь и никель.

Высокотемпературную пайку графита со сталью широко используют при изготовлении отдельных узлов ядерных реакторов, а также для соединения графитовых электродов с токоведущими элементами, уплотнительных колец и вкладышей с металлическими обоймами.

В процессе пайки графита с тугоплавкими металлами требуется особо чистая среда, так как даже незначительное содержание кислорода, азота, водорода или углерода (до 10-4 %) сопровождается трещинообразованием в тугоплавком металле.

Широкое применение для соединения тугоплавких металлов с графитом нашли высокотемпературная пайка в печах с контролируемой атмосферой и пайко-сварка с использованием электронного луча и газоэлектрической дуги. Предотвращение науглероживания и охрупчивания металла достигается предварительным нанесением на соединяемые поверхности покрытия из пластичных металлов, не образующих в контакте с графитом сплошных хрупких карбидных диффузионных слоёв, а также применением припоев с основой из пластичных металлов, инертных по отношению к графиту, и введением в них карбидообразующих добавок для обеспечения смачиваемости.