SADRŽAJ
Uvod Legure za lemljenje Procesi pri lemljenju Meki lemovi Oblikovanje spojeva Zaključak Literatura
2 3 4 10 11 12 13
UVOD
Lemljenje je postupak kojim se metalni ili nemetalni delovi spajaju pomoću rastopljenog dodatnog materijala (lema) u nerazdvojnu celinu. Pri lemljenju se osnovni materijal ne topi, jer ima višu tačku topljenja od dodatnog materijala. Bolji rezultati pri lemljenju mogu se postići primenom „topitelja“ (prašak, pasta) ili zaštitne atmosfere (gas ili vakuum) u kojoj se vrši lemljenje. Uz kovačko i livačko zavarivanje, lemljenje je jedan od najstarijih postupaka spajanja metala, staro koliko i dobijanje i prerada metala, oko 5000 do 6000 godina. U početku je lemljenje korišteno za spajanje delova nakita od zlata i platine, a kasnije i srebra. Danas se lemljenje koristi u masovnoj proizvodnji za spajanje čelika, aluminijuma i raznih drugih materijala na primer u automobilskoj i avonskoj industriji se široko primenjuje lemljenje.
2
LEGURE ZA LEMLJENJE
Legure kalaja sa olovom poznate su kao legure za lemljenje, a otkrivene su još u rimsko doba. Kalaj i olovo grade sistem s ograničenom rastvorljivošću (kalaja u olovu 19.3 %, a olova u kalaju 2.6 %) i eutektikumom (hemijska smesa koja se topi na konstantnoj temperaturi nižoj ot tačaka topljenja svake komponente) sadržaj kalaja 64.9%, tačka topljenja 183°C). Te se legure odlikuju niskom tačkom topljenja malom tvrdoćom, zbog čegta se nazivaju mekim legurama i relativno malom čvrstoćom na kidanje. One dobro kvase površinu niza metala kao što su na primer gvožđe, bakar i njihove legure, nikl, olovo i cink. Zbog toga se, naročito u mašinogradnji i elektro industriji, primenjuju za spajanje, lemljenje metalnih delova koji nisu izloženi udarima i vibracijama, od kojih se ne zahteva velika mehanička čistoća i koji nisu izloženi visokoj temperaturi. Za povećanje čvrstoće ovih legura dodaje se mala količina antimona. U tehničkoj primeni različite legure kalaja za lemljenje sadrže 3-90% kalaja. Lem 90 (broj označava težinski procenat kalaja u leguri. topi se pri 220-230°C i zbog velikog sadržaja kalaja ima veliku korozivnu otpornost. Upotrebljava se pored čistog kalaja pri izradi posuđa za domaćinstvo i u industriji konzervi. Sastav lema 61 približno odgovara eutektičkoj leguri i topi se na 183°C. Ta se legura odlikuje visokom tečljivošću i primenjuje se kada pri spajanju metalnih delova nije dopušteno zagrevanje, a traži se dobro popunjavanje veoma uskih zazora na primer u elektrotehnici. Za proizvodnju legura za lemljenje upotrebljava se veoma čist kalaj. Naročito su štetne primese cinka, aluminijuma bakra, arsena, bizmuta i kadmijuma s obzirom na visoku cenu nastoji se da se kalaj u legurama za lemljenje zameni drugim metalima na primer antimonom i kadmijumom. Za lemljenje se koristi i legura kalaja sa srebrom.
3
PROCESI PRI LEMLJNJU
Pri lemljenju se javljaju razne fizičke pojave: - Kvašenje površina lemom - Adhezione sile između lema i površine osnovnog materijala - Kapilarno delovanje lema - Površinski napon - Difuzija materijala lema u osnovni materijal Pri lemljenju se osnovni materijal zagreva ali ne topi. Dodatni materijal se topi jer ima nižu tačku topljenja od osnovnog materijala, ulazi u zazor vlaži lemljene površine, kapilarnim delovanjem se širi u zazor, rastopina se kristalizuje i ostvaruje lemljeni spoj. U nekim slučajevima zazor je veći pa se lemljeni spoj ostvaruje i bez kapilarnog delovanja, kada se koristi velika količina najčešće skupog dodatnog materijala. Radna temperatura je najniža temperatura radnog predmeta na mestu lemljenja. Zavisi od vrste lema i viša je od solidus temperature lema. Ako je radna temperatura iznad 450°C tada se govori o tvrdom lemljenju, a ako je ispod, tada se govori o mekom lemljenju. Kada se meri na temperaturama preko 900°C, tada se govori o visokotemperaturnom lemljenju. Lemovi su čisti materijali ili legure ili nemetali u obliku žice, štapa, lima, oblikovanih elemenata, zrna praška ili čestica lema u topitelju. Topitelji su nemetalni materijali. Oni se nanose na površine koje se žele lemiti nakon dobrog prethodnog čišćenja, da bi se odstranili postojeći oksidni slojevi i sprečilo stvaranje novih. Time se omogućuje vlaženje površina koje se spajaju. Vreme delotvornosti topitelja u obliku rastopine je ograničeno. Površine osnovnig materijala i lema su pokrivene tankim slojem nečistoća zbog delovanja okoline na metal. One se sastoje obično od oksida, sulfida, karbonata i drugih proizvoda korozije. Ove nečistoće onemogućavaju stvaranje kontinuuma u lemljenom spoju, pa ih treba odstraniti pomoću topitelja. Zaštitni gasovi pri zagrevanju štite od oksidacije površinu spoja kao i lema. Sa istom svrhom se primenjuje i u vakuumu.
4
- Kvašenje površine radnog komada
Slika 1. a) Nema kvašenja – rastopljeni lem se formira u obliku kuglice b) Dobro kvašenje – lem se širi po površini osnovnog materijala
- Adhezione pojave Pri dolasku rastopljene kapljice lema na radnu površinu radnog komada, koja je dovoljno zagreana ali ne i otopljena, mogu se dogoditi sljedeći slučajevi: 1) Lem se širi kao tečnost, koja se “upija” u osnovni metal sa vrlo malim uglom kvašenja (potpuno kvašenje) 2) Lem ostaje u obliku spljoštene kapljice na radnoj površini (nepotpuno kvašenje) 3) Lem pri većem pregrejavanju se razliva, ali pri hlađenju se skuplja opet u kapljicu s uglom kvašenja oko 90° ili više. Kvašenje osnovnog metala rastopljenim lemom je proces koji se događa samo na površini radnog komada.
Slika 2. Sile površinskog napona
• • •
γ1,2 – sila površinske napona između lema i osnovnog materijala γ1,3 – sila površinske napona između atmosfere i osnovnog metala γ2,3 – sila površinske napona između atmosfere i lema
5
γ 1,3
= γ 1, 2 + γ 2 , 3 ⋅ cos
β
γ 1,3
≥ γ 1, 2 + γ 2 ,3
γ H
= γ − γ = γ 2, 3 ⋅ cos 1, 3 1, 2
pk
=
β
2 γ H ⋅
b
Pk – kapilarni pritisak punjenja γH – prijanjane lema b – širina zazora
p H
=
g h ρ ⋅
⋅
PH – hidrostatski pritisak g – gravitacija ρ – gustina tečnosti
2 γ H ⋅
b
=
g h ⋅
g h b ⋅
γ H
b
=
⋅
ρ
⋅
ρ
⋅
2
2 γ H ⋅
=
g h ⋅
ρ
⋅
- Kapilarno delovanje lema
Slika 3. Kapilarno delovanje u širokom i uskom zazoru a) Preširoki zazor b) Pravilni zazor, na gornjoj slici početak, a na donjoj kraj kvašenja; 1 – radni komad 2 – lem
6
Grafik 1. Odnos kapilarnog pritiska punjenja od širine zaora
- Difuzione pojave na graničnim površinama
Slika 4. Difuziona zona na osnovnom metalu Do.m. i lemu Dl
7
a) b) c) d)
Bezdifuzni spoj Rastvorno – difuzni spoj Kontaktno – reakcioni spoj Dispergirani spoj
a) Bezdifuzioni spoj
TL – temperatura lemljenja TK – temperatura kvašenja τL – vreme lemljenja τR – vreme od početka difuzionog procesa OM – osnovni materijal
T L
≈T K
τ
<τ R
L
Slika 5. Spoj lema i osnovnog materijala
b) Rastvorno – difuzioni spoj
8
c) Kontaktno – reakcioni spoj
d) Disperzioni spoj
9
MEKI LEMOVI
Meko lemljenje se vrši na temperaturama od 183°C sa sledećim legurama za lemljenje: kalaj – olovo (Sn-Pb), kalaj – olovo – antimon (Sn-Pb-Sb), kalaj – olovo – bakar (Sn-Pb-Cu), kalaj – olovo – srebro (Sn-Pb-Ag). Za meke lemove koji se vrše na temperaturama nižim od 183°C koriste se legure: kalaj – olovo – kadmijum (Sn-Pb-Cd), kalaj – indijum (Sn-In), indijum (In), bizmut – kalaj – kadmijum (Bi-Sn-Cd), kalaj – indijum – kadmijum (Sn-In-Cd), bizmut – indijum – olovo – kalaj (Bi-In-Pb-Sn), bizmut – olovo – indijum – kalaj – kadmijum (Bi-Pb-InSn-Cd). Meki lemovi koji se obavljaju na temperaturama višim od 183°C kovrše se sa legurama: kalaj – srebro (Sn-Ag), kalaj – antimon (Sn-Sb), kadmijum – cink (Cd-Zn), olovo – srebro (Pb-Ag), cink – kalaj (Zn-Sn), kadmijum – cink – srebro (Cd-Zn-Ag), cink (Zn). Za meke lemove za aluminijum koriste se legure: kalaj – cink – kadmijum (Sn-ZnCd), kalaj – cink (Sn-Zn), cink – kadmijum (Zn-Cd), kadmijum – cink (Cd-Zn), olovo – kalaj – cink (Pb-Sn-Zn), cink – aluminijum (Zn-Al), cink (Zn), kalaj – kadmijum – cink – aluminijum (Sn-Cd-Zn-Al), kalaj – olovo – cink (Sn-Pb-Zn). Topitelji za meko lemljenje su: anorganski – hloridi najčešće cinka; organski – halogena jedinjenja sa hlorom i bromom. Topitelji za meko lemljenje aluminijuma su na bazi organskih jedinjenja (aminojedinjenja sa dodatkom fluorida i hlorida) i na bazi organskih halogenih jedinjenja. Topitelji treba da zadovoljavaju sledeće zahteve: da imaju nižu tačku topljenja od tačke topljenja lema, dosta veliku brzinu otapanja oksida, dobru zaštitu radnog komada u vremenu zagrevanja, lako oticanje topitelja u trenutku nailaska lema, lako odstranjivanje ostataka topitelja nakon lemljnja radi sprečavanja korozije pošto materije od kojih je sačinjen topitelj imaju u principu dosta agresivno delovanje.
10
OBLIKOVANJE SPOJEVA
Prilikom lemljenja spoj treba oblikovati tako da zazor bude po celoj spojnoj površini ravnomeran i neprekinut; treba predvideti da dolazi do povećanja zazora pri zagrevanju. Po mogućnosti izbegavati velike spojne površine Pri mogućnosti nastajanja velikih naprezanja primeniti preklopni spoj. Omogućiti slobodno oticanje topitelja sa spojnog mesta pri nailasku lema. Pri lemljenju metala sa različitim koeficijentima istezanja treba predvideti odgovarajuću veličinu zazora. Oblikovati spojeve po mogućnosti tako da se sami centriraju. Zagrevanje lema treba da bude indirektno to jest preko radnog komada. Na kvalitet i čvrstoću zalemljenih spojeva utiče čvrstoća osnovnog materijala, veličina i kvalitet pripremljene površine za lemljenje, veličina zazora oblik spoja, hemijski sastav osnovnog metala, lema i topitelja, vreme zagrevanja do topljenja lema, čvrstina zaleljenog sloja zavisi i od kasnijih eksploatacionih uslova.
11
ZAKLJUČAK
Prednosti lemljenja su: - ekonomična izrada sklopova sa više delova - povoljna rasopdela naprezanja i povoljan prelaz toplote - mogućnost spajanja nemetala sa metalima - mogućnost spajanja vrlo tankih na debele predmete - mogućnost spajanja raznih metala u spoj - mogućnost spajanja poroznih materijala - mogućnost spajanja vlaknastih i kompozitnih materijala - zbog nižih radnih temperatura i svojstava dodatnih materijala kod lemljenih spojeva su niža zaostala naprezanja i on nema pogrubljenja zrna - postižu se precizne proizvodne tolerancije Nedostatci lemljnja su: - statička ali i dinamička čvrstoća lemljenog spoja je niža (slabija) u odnosu na zavareni spoj - relativno visoka cena dodatnih materijala za lemljenje.
12
LITERATURA
1. Tehnička Enciklopedija, Zagreb, 1980. 2. Inženjersko tehnički priručnik – Materijali, Rad Beograd, 1976. 3. Obrada oblikovanjem 1 -Zavarivanje-, Dušan Jovanić, Zrenjanin, 2009. 4. www.wikipedia.org 5. www.fsb.hr
13
