ФЛЮС ДЛЯ ПАЙКИ ОСОБОЛЕГКОПЛАВКИМИ ПРИПОЯМИ
FLUX FOR SOLDERING BY EXTRA QUICK SOLDERS

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:
р
p
0
К=S/S, где
p
2
S - площадь, занятая припоем после его расплавления и растекания, в мм,
0
2
S - площадь, занятая заготовкой припоя или дозой паяльной пасты до их расплавления, в мм.
пл
пл
пл
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=60°С), 100±5°С для припоя «Сплав Розе» (Т=94°С), 125±5°С для припоя ПОИн-50 (Т=117°С).
л
ф
л
л
ф
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) к длине офлюсованных участков проволок (1). Данные по таким оценочным коэффициентам лужения (К=1/1) 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.