Пайка нержавейки: припой, флюс, температура и технология

Почему нержавейку трудно паять

Нержавеющую сталь защищает пассивная плёнка оксида хрома Cr₂O₃ толщиной в несколько нанометров. Припой не смачивает такую поверхность: он собирается каплями и не затекает в зазор. После зачистки плёнка быстро образуется заново. Поэтому её растворяет активный флюс либо удаляет защитная среда — сухой водород, аргон с водородом или вакуум. Nickel Institute отмечает, что оксидная плёнка — препятствие для большинства операций сварки, пайки и лужения нержавейки.

Паяемость зависит от марки и поверхности. Стали серии 300 паяют легче. Марки 400 с высоким углеродом, 316 с молибденом и стали с титаном — чуть труднее. Матовые 2B и шлифованные поверхности флюсуются лучше зеркальных №7–8 и блестящего отжига (BA); см. статью «Поверхности нержавеющего листа».

Мягкая и твёрдая пайка

По ГОСТ 19248-90 (ИСО 3677-76) припои делят по температуре плавления: до 450 °C — для мягкой пайки, выше 450 °C — для твёрдой.

• Мягкая пайка — оловянно-свинцовые ПОС по ГОСТ 21930 и ГОСТ 21931 и бессвинцовые оловянно-серебряные. Нагрев — до 240–280 °C. Шов герметичный, но слабый: по технологической инструкции ТИ 12-58-02 — порядка 30–50 МПа.
• Твёрдая пайка — серебряные, медные, никелевые припои при 600–1200 °C. Швы прочнее: у медно-цинковых припоев по той же инструкции 300–440 МПа. Основной металл остаётся твёрдым: нержавейка плавится при 1400–1450 °C.

Для пищевых изделий и питьевой воды сегодня берут бессвинцовые припои: в США, например, Safe Drinking Water Act допускает в припое и флюсе для водопровода не более 0,2 % свинца. Это олово-серебро или твёрдые серебряные припои без кадмия.

Припои для нержавейки

Чем больше олова, тем ближе цвет шва к цвету стали. Для 50/50 Nickel Institute приводит плавление при 183 °C и течение при 216 °C.

• Медно-фосфористые припои (BCuP, «Сил-Фос») для нержавейки не годятся: фосфор образует хрупкие фосфиды железа и никеля. Lucas-Milhaupt не рекомендует их для стали и железных сплавов.
• Никель в серебряном припое. Без никеля шов склонен к щелевой коррозии во влажной атмосфере, при 2–3 % никеля она не возникает. По данным Lucas, при флюсовой пайке хром окисляется и растворяется во флюсе, на границе шва остаётся слой почти чистого железа. Никель концентрируется на границе и защищает её: для серии 300 этого хватает, для серии 400 коррозия замедляется, но не останавливается.
• Кадмий. BAg-1, BAg-3 и ПСр 40 дают токсичные пары. Для пищевой и медицинской техники берут бескадмиевые припои.

Флюсы для нержавейки

Канифоль не подходит. Канифольно-спиртовые флюсы, даже с малыми добавками хлористого цинка и хлористого аммония, нержавейку не берут. Канифоль годится только для уже залуженных деталей.

Зарубежные аналоги. Флюсы для твёрдой пайки нержавейки — классы FB3-C и FB3-D по AWS A5.31: борная кислота, бораты и фториды; бор растворяет оксид хрома. Lucas-Milhaupt рекомендует Handy Flux Type B-1 и Black Ultraflux, Hi-Temp работает при 870–1100 °C. Чёрный флюс Harris Stay-Silv — при 565–927 °C, он содержит бор и выдерживает долгий нагрев.

Подготовка и технология пайки

1. Очистка. Жир снимают растворителем или спиртом, плёнку — мелкой шкуркой или щёткой из нержавейки. Инструмент — отдельный, только для нержавейки. Флюс наносят сразу после зачистки.
2. Лужение. При мягкой пайке деталь сначала покрывают тонким слоем припоя с флюсом. По Nickel Institute, лужение сокращает время пайки и повышает прочность и коррозионную стойкость шва.
3. Зазор. Для серебряных припоев с флюсом — 0,05–0,13 мм (Lucas-Milhaupt, Linde). Слишком малый зазор не даёт флюсу вытесниться, прочность падает. В защитном газе и вакууме — 0–0,05 мм. Для механизированной пайки с флюсом Linde допускает до 0,2 мм, при зазоре больше 0,5 мм надёжного заполнения нет.
4. Флюс. Пасту ПВ209 или ПВ284Х наносят на кромки и уложенный припой. Покрытие должно быть сплошным до расплавления флюса. Горелкой флюсуют непрерывно до образования галтели.
5. Нагрев. Греют деталь: металл должен расплавить припой, а не пламя. Способы — горелка, индукция (ТВЧ), печь. Нержавейка плохо проводит тепло, поэтому на мягкой пайке нагрев короче, чем для углеродистой стали. BAg-24 расслаивается при медленном нагреве — интервал плавления проходят быстро.
6. Защитная среда. В печи атмосфера должна восстанавливать оксид хрома. По Linde, при точке росы −50 °C и 1000 °C уверенно это делает только 100 % водород; смеси с 1 и 5 % водорода окисляют, 25 % — на границе. Азот не подходит: он азотирует нержавейку, берут водород, аргон с водородом или вакуум. В вакууме оксид хрома не образуется; для никелевых припоев на AISI 304 Wall Colmonoy указывает вакуум порядка 10⁻⁵ торр.
7. Охлаждение. Не задерживайте деталь в интервале 450–850 °C ни при нагреве, ни при охлаждении.

Риск межкристаллитной коррозии

Мягкая пайка идёт ниже 450 °C, и сенсибилизация ей не грозит. Твёрдая пайка серебром при 600–850 °C попадает в интервал, где по границам зёрен выпадают карбиды хрома: по данным ASSDA — 450–850 °C, по данным Linde — 425–815 °C. Для нестабилизированных аустенитных сталей (08Х18Н10, AISI 304) технологическая литература не рекомендует пайку при 600–800 °C. Серебряными припоями при 620–800 °C паяют стали с малым углеродом или стабилизированные титаном и ниобием.

• Для твёрдой пайки берите 321, 304L или 316L. Титан в 12Х18Н10Т и низкий углерод в L-марках снижают риск; такие стали паяются чуть труднее, поэтому нужен активный флюс. Механизм — в статье «Межкристаллитная коррозия».
• Нагрев — минимальный. Lucas-Milhaupt советует не держать металл долго при температуре, когда припой расплавлен: иначе образуются карбиды хрома.

Пайка нержавейки с медью, латунью и сталью

• С медью и латунью. Lucas-Milhaupt для таких пар указывает серебряные припои Silvaloy, в том числе 505 (BAg-24), с флюсом Handy Flux. Медно-фосфористые — нельзя. Медь проводит тепло намного лучше нержавейки — около 400 против 15–16 Вт/(м·К). Lucas советует направлять тепло на лучший проводник, но сталь тоже должна дойти до температуры пайки.
• С углеродистой сталью. Те же серебряные припои и флюсы ПВ209, ПВ200: по ГОСТ 23178 они рассчитаны и на нержавеющие, и на конструкционные стали. Для неответственных узлов ТИ 12-58-02 допускает ПОС 40, для герметичных — ПОССу 61-0,5. Аустенитная нержавейка расширяется сильнее — около 17 против 12 мкм/(м·К): при нагреве зазор может закрыться или раскрыться.

После пайки: смыть флюс и обработать шов

Остатки флюса и его пары коррозионно-активны. Nickel Institute требует удалять всё: пары оседают на холодных поверхностях рядом со швом, поэтому чистят всю зону.

• Горячая вода. Узел опускают в воду от 50 °C, пока припой застывает: стекловидный флюс трескается и отходит. По технологической литературе, остатки ПВ209 и ПВ284Х удаляют кипячением или промывкой в проточной горячей и холодной воде.
• Сода. Для мягких припоев — 3–5 % раствор кальцинированной соды при 70–90 °C, затем горячая вода и спирт (ТИ 12-58-02). Сначала промывают чистой водой, потом нейтрализатором: иначе остатки могут стать нерастворимыми.
• Механически. Упорный флюс снимают пескоструем или бисером.
• Без соляной кислоты. Nickel Institute не рекомендует 2 % соляную кислоту для паяной нержавейки: она агрессивна и может разъесть сталь.

Цвета побежалости означают оксидную плёнку и слой, обеднённый хромом. Его снимают травлением, затем сталь пассивируют — см. статью «Как почистить нержавейку и убрать побежалость» и услугу травление и пассивация. Для паяных узлов есть ограничение: азотная кислота быстро растворяет серебряные и медные припои. Состав и время обработки нужно подбирать под тип припоя.

Типичные ошибки при пайке нержавейки