ФЛЮС ДЛЯ ПАЙКИ ОСОБОЛЕГКОПЛАВКИМИ ПРИПОЯМИ Российский патент 2013 года по МПК B23K35/363 

Изобретение относится к пайке, а более конкретно, к флюсам для пайки и лужения особолегоплавкими припоями.

Особолегкоплавкие (ОЛ) припои представляют собой сплавы на основе олова, индия и висмута с температурами пайки ниже или равными 140°С [1-3]. Для пайки такими припоями обычно используют флюсы, в состав которых вводят канифоль с растворителями и активаторами, или бесканифольные флюсы, содержащие органические кислоты или их ангидриды и растворители.

Известен флюс ФКТС, содержащий канифоль, триэтаноламин, этиловый спирт и активирующую добавку - салициловую кислоту в количестве от 3 до 3,5 масс.% [3]

Известен безканифольный флюс ФТС, имеющий те же компоненты, при этом содержание салициловой кислоты увеличено до 4-4,5 масс.% [3]. Эти флюсы рекомендованы для пайки и лужения меди, серебряных, кадмиевых, цинковых, никелевых и оловосодержащих покрытий ОЛ-припоями типа «Сплав Вуда», «Сплав Розе», ПОИн-50 в температурном интервале 140-300°С. Аналогичными свойствами обладают бесканифольные флюсы ФКТБ и ФТБ [3], отличающиеся только кислотой - вместо салициловой кислоты они содержат бензойную при одинаковом процентном содержании компонентов.

Однако этим флюсам недостает активности при пайке в интервале 70-140°С. Кроме того, не хватает активности флюсам и для удаления окислов с поверхности хромоникелевых сплавов, нержавеющей и углеродистой сталей при нагреве вплоть до 300°С. Помимо этого для удаления остатков флюсов после пайки необходимо применять органические растворители на основе спиртов, хлорированных углеводородов или их смесей.

Известен флюс для пайки ОЛ-припоями меди и ее сплавов марки ФЛЯГлВ, включающий растворители - глицерин, воду и активирующие добавки - лимонную и янтарную кислоты [3 - прототип]. Флюс активен в интервале температур от 80 до 140°. Остатки флюса после пайки удаляют водой. Однако для обеспечения пайки никелевых сплавов, нержавеющих, углеродистых сталей в указанном интервале температур ему не хватает флюсующей активности. [3]

Техническим результатом изобретения является сохранение температурного интервала флюсующей активности предлагаемого флюса для обеспечения пайки и лужения никелевых сплавов, нержавеющих, углеродистых сталей особолегкоплавкими припоями при температуре ниже или равной 140°С

Технический результат достигается тем, что флюс, содержащий глицерин и воду, дополнительно содержит щавелевую кислоту и гидрогалогенид амина при следующем соотношении компонентов, в масс.%:

щавелевая кислота 1-62,5 гидрогалогенид амина 0,2-12,5 глицерин 20-98,3 вода остальное.

Щавелевая кислота относится к числу наиболее сильных органических кислот, по константе диссоциации она превосходит салициловую, бензойную, янтарную, лимонную и молочную кислоты. В водном растворе она разрушает окислы, серо- и углеродсодержащие соединения на большинстве металлов в процессе пайки, в частности, на никелевых сплавах, содержащих хром. Однако в процессе пайки образуются соли щавелевой кислоты (оксалаты), которые в обезвоженном состоянии не плавятся при температуре пайки, засоряют паяемую поверхность и препятствуют растеканию припоя. Возникает проблема их удаления.

Гидрогалогенид амина (в дальнейшем - гидрогалогенид) хорошо растворяет как щавелевую кислоту, так и оксалаты, а также растворяется в воде и глицерине.

Таким образом использование в качестве активирующей добавки водно-глицеринового раствора щавелевой кислоты и гидрогалогенида позволяет осуществить лужение и пайку никелевых сплавов, а также нержавеющих и углеродистых сталей ОЛ-припоями в интервале температур от 70 до 140°С.

Процентное содержание компонентов флюса обосновывается следующим образом:

- процентное содержание щавелевой кислоты всегда больше процентного содержания гидрогалогенида в 3-5 раз, что обуславливает длительное сохранение смеси в жидком, расплавленном состоянии;

- процентное содержание щавелевой кислоты ниже 1 масс.% и соответственно гидрогалогенида ниже 0,2 масс.% снижает активность флюса настолько, что практически теряется его способность к удалению окисной пленки с поверхности паяемого металла;

- процентное содержание щавелевой кислоты больше 62,5 масс.% и соответственно гидрогалогенида 12,5 масс.% вызывает переход флюса из жидкого в пастообразное состояние;

- нижняя граница содержания глицерина, составляющая 20 масс.% соответствует переходу флюса в пастообразное состояние при отсутствии во флюсе воды.

- верхняя граница содержания глицерина, равная 88,8 масс.%, определяет минимально необходимую активность флюса также при отсутствии воды в его составе.

Флюс для пайки особолегкоплавкими припоями готовят следующим образом:

- в емкость, содержащую трехатомный спирт глицерин, вводят щавелевую кислоту и гидрогалогенид, нагревают смесь до температуры 100-120°С и выдерживают при этой температуре до полного растворения кислоты и гидрогалогенида. После охлаждения емкости, в нее добавляют воду, перемешивают раствор стеклянной или керамической палочкой до однородного состояния. После этого раствор флюса готов к применению.

В таблице 1 представлены 6 (1, 2, 3, 4, 7, 8) составов флюса в пределах заявленных соотношений компонентов, и два (5, 6) приготовленные за пределами заявленных соотношений компонентов. Составы 1-6, 8 приготовлены с применением гидрогалогенида в виде гидрохлорида диэтиламина. Состав 7 приготовлен с применением гидрогалогенида в виде гидрохлорида триэтаноламина.

В таблице 2 приведены варианты лужения металлических образцов флюсами, составы которых приведены в таблице 1. Лужение проводилось тремя видами припоев: «Сплав Вуда» (24,5-25,3 Pb, 12-13 Sn, 12-13 Cd, Bi - остальное; ТУ 6-09-4064-87) (А), «Сплав Розе» (25 Pb, 25 Sn, 50 Bi; ТУ 6-09-4065-88) (Б); ПОИн-50 (50 In, 50 Sn; ГОСТ 10297-75) (В).

Металлические образцы выполнены из высоколегированной коррозионностойкой (нержавеющей) стали 12Х18Н9Т, спецсплава ковар (53Fe29Ni18Co), углеродистой качественной конструкционной стали 45, углеродистой обыкновенного качества стали 3. Образцы имеют размеры 20×15×1 мм. Поверхность перед лужением зачищали шлифовальной шкуркой и обезжиривали в трихлорэтилене и спирте. Образцы из сплава нихром (80-90Ni10-20Cr) представляли собой кусочки нихромовой проволоки диаметром 0,5-1 мм произвольной длины. Кроме того, для контрольного лужения использовали образцы с покрытиями из никеля и меди.

Лужение производили с помощью заготовок (навесок) припоя диаметром 5 мм и толщиной 0,1 мм. Заготовки изготавливали из припоев: «Сплав Вуда», «Сплав Розе», ПОИн-50.

Капли флюса наносили на поверхности образцов перед укладкой навесок. После этого образцы устанавливали на плитку и нагревали до температуры лужения. Для определения коэффициента растекаемости припоя «Сплав Вуда» образцы нагревали до 90±5°С, припоя «Сплав Розе» образцы нагревали до 120±5°С, припоя ПОИн-50 до 140±5°С.

Коэффициент растекаемости флюса согласно [3] определяется по формуле:

К_р=S_p/S₀, где

S_p - площадь, занятая припоем после его расплавления и растекания, в мм²,

S₀ - площадь, занятая заготовкой припоя или дозой паяльной пасты до их расплавления, в мм².

Кроме того, для определения нижней границы интервала активности флюса подогретые на плитке образцы лудили с помощью паяльника. Температуры нагрева жала паяльника и плитки соответствовали 70±5°С для припоя «Сплав Вуда» (Т_пл=60°С), 100±5°С для припоя «Сплав Розе» (Т_пл=94°С), 125±5°С для припоя ПОИн-50 (Т_пл=117°С).

Образцы из нихромовой проволоки лудили следующим образом. В офлюсованные и расплавленные заготовки припоя вводили офлюсованные на 5-10 мм концы проволок и после извлечения из припоя и отмывки оценивали отношения облуженных участков проволок (1_л) к длине офлюсованных участков проволок (1_ф). Данные по таким оценочным коэффициентам лужения (К_л=1_л/1_ф) для 3-х видов припоев представлены в таблице 3.

На основе предлагаемого флюса, состава 8 и порошка припоя ПОИ-50 с размерами частиц 40-60 мкм изготовлена паяльная паста.

Приготовленную паяльную пасту наносили на образцы в виде дозированных капель диаметром до 2 мм и высотой до 1 мм. Температуры нагрева образцов на плитке составляли 120±5°С и 140±5°С. Данные по лужению образцов паяльной пастой приведены в таблице 4.

Отмывку образцов от остатков флюсов осуществляли в проточной воде, имеющей температуру 50-80°С, с последующим ополаскиванием в деионизованной воде (ОСТ 11029.003-80) и обдувом сжатым воздухом. В случае необходимости производили дополнительную сушку образцов в термокамере при 50-70°С.

Анализ результатов показал, что указанные в формуле изобретения соотношения компонентов флюса (примеры 1-4, 7; табл.1), обеспечивают коэффициенты растекаемости ОЛ-припоев по труднопаяемым металлическим поверхностям (табл.2) сравнимые с коэффициентами растекаемости этих и подобных припоев по меди с применением флюсов ФКТС, ФТС и ФЛЯГлВ [3, табл.21, 23, стр.57, 58]. Причем температуры лужения с указанными флюсами были на 10-20°С выше.

Кроме того, предлагаемый флюс (состав из примера 1) обеспечивает лужение образцов с помощью паяльника при определении нижней границы температурного интервала активности флюса. Образцы из нержавеющей стали и ковара были облужены припоем «Сплав Вуда» при 70°С, припоем «Сплав Розе» при 100°С и припоем ПОИн-50 при 125°С.

Составы флюса с соотношением компонентов, выходящими за границы формулы изобретения, дают малые значения коэффициентов растекаемости ОЛ-припоев. Эти данные обосновывают правильность числовых значений соотношений компонентов, указанных в формуле изобретения.

Достоинством заявленного флюса являются простота приготовления, доступность и дешевизна компонентов, а также отсутствие токсичных и канцерогенных веществ в их составах.

Таблица 1 № примера Состав флюса, масс.% Щавелевая кислота Гидрогалогенид амина Глицерин Вода 1. 30 6* 60* 4 2. 30 10* 56* 4 3. 1 0,2* 88,8 0 4. 62,5 12,5* 20 5 5. 0,5 0,01* 69,49 30 6. 75 15* 5 5 7. 30 6** 60 4 8. 40 8* 50 2 * - гидрогалогенид амина - гидрохлорид диэтиламина ** - гидрогалогенид амина - гидрохлорид триэтаноламина

Таблица 2 № п/п Образец, покрытие Припой Лужение навеской припоя, Кр/Номер примера 1 2 3 4 5 6 7 1. Нержавеющая сталь 12х18Н9Т Сплав Вуда (А) 0,8 0,8 0,8 0,8 0,2 0,3 0,8 Сплав Розе (Б) 0,8 0,8 0,8 0,8 0,2 0,4 0,8 ПОИн-50 (В) 0,9 0,9 0,9 0,9 0,5 0,6 0,9 2. Ковар 29НК А 0,8 0,8 0,8 0,8 0,2 0,3 0,8 Б 0,9 0,9 0,9 0,9 0,2 0,4 0,9 В 1 1 1 1 0,5 0,6 1 3. Сталь 45 Сталь 3 А 0,9 0,9 0,9 0,9 0,4 0,5 0,9 Б 0,9 0,9 0,9 0,9 0,5 0,5 0,9 В 1 1 1 1 0,5 0,5 1 4. Медь А 1,1 1,1 1 1 0,6 0,6 1,1 Б 1,2 1,2 1 1 0,6 0,6 1,2 В 1,3 1,3 1,2 1,2 0,5 0,5 1,3 5. Никель А 1 1 1 1 0,5 0,5 1 Б 1 1 1 1 0,5 0,5 1 В 1,1 1,1 1,1 1,1 0,5 0,5 1,1

Таблица 3 Лужение нихрома, Кр Припой Сплав Вуда Сплав Розе ПОИн-50 1 1 1

Таблица 4   Лужение паяльной пастой, Кр Температура лужения, °С Образец, покрытие Нерж. сталь 12х18Н9Т Ковар 29НК Сталь 45 Сталь 3 Никель Медь 120+5 1 1,1 1,1 1,1 1,2 1,3 140±5 1,1 1,2 1,2 1,2 1,3 1,5

Источники информации

1. Справочник по пайке. Под ред. С.Н.Лоцманова, И.Е.Петрунина, В.П.Фролова. - М.: Машиностроение, 1975.

2. Лашко С.В., Лашко Н.Ф. Пайка металлов - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988.

3. Припои и флюсы для пайки. Марки, состав, свойства и области применения. ОСТ 4ГО 0.033.200. Редакция 1-78, с.34, с.45.

Изобретение может быть использовано при пайке и лужении никелевых сплавов, нержавеющих и углеродистых сталей особолегоплавкими припоями. Упомянутые припои представляют собой сплавы на основе олова, индия и висмута с температурами пайки ниже или равными 140°С. Флюс для пайки содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: щавелевая кислота 1-62,5, гидрогалогенид амина 0,2-12,5, глицерин 20-98,3, вода - остальное. Достоинством заявленного флюса является простота приготовления, доступность и дешевизна компонентов, а также отсутствие токсичных и канцерогенных веществ при сохранении температурного интервала его флюсующей активности. 4 табл.

Флюс для пайки особолегкоплавкими припоями, содержащий глицерин и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит щавелевую кислоту и гидрогалогенид амина при следующем соотношении компонентов, мас.%:
щавелевая кислота 1-62,5 гидрогалогенид амина 0,2-12,5 глицерин 20-98,3 вода остальное