Справочник по пайке

Компоненты

Хлористый калий Хлористый литий Хлористый натрий Фтористый литий Фтористый натрий

Хлористый калий

Хлористый магний

Хлористый барий

Фтористый кальций

Хлористый калий Хлористый натрий Хлористый литий Фтористый литий Хлористый цинк Хлористый свинец Хлористый калий Хлористый натрий Хлористый кадмий Фтористый литий Хлористый калий Хлористый литий Фтористый натрий Хлористая сурьма

Продолжение табл. 5

Назначение и характеристика

Пайка магниевых сплавов припоями на основе магния с добавками алюми­ ния и цинка

Пайка магниевых сплавов погружени­ ем в расплав солей припоями системы магний-цинк-кад- мий. Флюс замеши­ вают на спирту и наносят в воде пасты на паяемое изделие

Пайка магниевых сплавов

Флюсы для пайки титана и его сплавов

Флюсовая пайка титана и его сплавов имеет ограниченное применение в промышлен­ ности из-за недостаточно высокого качества паяных соединений. Чаще пайку проводят в вакууме или в аргоне марки А, очищенном от примесей кислорода, азота и паров воды. Флю­ сы, рекомендуемые для пайки титана на основе

хлоридов и фторидов различных металлов, ма­ лоактивны, в процессе пайки вступают во взаи­ модействие с основным металлом, загрязняя его поверхность. Припои, предназначенные для пайки титана, недостаточно хорошо смачивают поверхность титана и плохо затекают в зазор. Все это требует доработки технологии флюсо­ вой пайки титана и его сплавов. Удовлетвори­ тельные результаты получены при использова­ нии флюсов, приведенных в табл. 6 [15].

Титановые изделия могут подвергаться реактивно-флюсовой пайке. В состав флюса в этом случае входят хлориды олова или серебра. При флюсовании протекают реакции

Ti + 2SnCl2 = TiCl4 + 2Sn;

Ti + 4AgCl = TiCl4 + 4Ag.

Четыреххлористый титан, образующийся при этих реакциях при температуре пайки, является газообразным веществом и улетучи­ вается из зоны пайки. Восстановленное олово или серебро покрывает поверхность титана, которую затем можно паять по обычной техно­ логии.

СПОСОБЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ И НАНЕСЕНИЯ ФЛЮСОВ

Флюсы для высокотемпературной пайки черных и цветных металлов

Флюсы приготавливают путем смешения обезвоженных компонентов и тщательного пе­ ремешивания полученной смеси. Предваритель­ ное прокаливание необходимо для удаления воды, которая может привести к значительной пористости паяного шва. Буру необходимо рас­

плавить при температуре 740 800 °С в графи­ товых тиглях и вылить затем на противни из коррозионно-стойкой стали, после чего из­ мельчить в фарфоровых мельницах или метал­ лической ступке. Компоненты фторборатных флюсов обезвоживают прокаливанием при температуре 300 400 °С. Приготовленные флюсы следует хранить в стеклянной посуде с притертой пробкой.

Перед пайкой флюсы необходимо заме­ шать на воде или спирте и нанести на паяемое место до нагрева. Лучшие результаты получа­ ются, если в качестве растворителя использу­ ются не этиловый спирт или вода, а много­ атомные спирты - глицерин, этиленгликоль, пропиленгликоль и др. Образующийся при пайке летучий эфир создает в зоне пайки газо­ вую защиту от окисления кислородом воздуха. Лигатуру алюминий-магний-медь, вводимую во флюс ПВ201, приготавливают расплавляя алюминий и медь, затем при температуре око­ ло 700 °С в расплав вводят магний при силь­ ном перемешивании сплава. Полученный сплав размалывают в шаровой мельнице или фарфо­ ровой ступке до состояния пудры. В тех случа­ ях, когда нельзя получить флюс в пастообраз­ ном состоянии, он наносится на паяемую по-

верхность непосредственно во время пайки в виде порошка. Паяемая поверхность для этого предварительно нагревается до температуры 300 400 °С.

Флюсы для пайки алюминия, магния, титана и их сплавов

Флюсы на основе галогенидов щелочных и щелочно-земельных металлов готовят путем сплавления предварительно просушенных компонентов флюса. Хлориды и фториды ще­ лочных и щелочно-земельных металлов прока­ ливают при температуре 600 650 °С. Хлори­ ды тяжелых металлов (цинка, олова, свинца) переплавляют. После охлаждения сплав солей размалывают и хранят в плотно закрытой стек­ лянной посуде.

При пайке в соляных ваннах особенно необходима тщательная просушка компонен­ тов флюса. В качестве материала ванн исполь­ зуют никель или сплавы на его основе, не разъ­ едающиеся расплавом соли при температуре пайки 580 620 °С. Флюс для пайки магния и его сплавов на основе карналлита готовят в фарфоровом тигле. В расплавленный карналлит вводят криолит и окись цинка; полученную

разливают в противни и после охлаждения размалывают.

УДАЛЕНИЕ ОСТАТКОВ ФЛЮСА ПОСЛЕ ПАЙКИ

Боридные и фторборатные флюсы, содер­ жащие буру и борную кислоту, образуют после пайки на паяном шве нерастворимую в воде плотную стекловидную пленку, которую можно удалить одним из следующих способов [15]:

-охлаждением после пайки в проточной воде. Из-за различия коэффициентов объемно­ го расширения флюса и металла происходит растрескивание пленки флюса и отделение от металла;

-длительное (5 6 ч) кипячение изде­ лия в воде с последующей промывкой в 2 0 %- ном водном растворе хромового ангидрида;

-кипячение в течение 2 ч при температу­

кислого сернокислого калия (KHS04).

Остатки флюсов после пайки алюминия и его сплавов удаляют:

- травлением в течение 5 15 мин в концентрированной азотной кислоте при ком­ натной температуре;

растворе двухромовокислого натрия в течение

последующей сушкой струей горячего воздуха.

ФЛЮСЫ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКИ

Подход к анализу композиций флюсов обычно осуществляется с позиции их активно­ сти, т.е. получения максимальной смачиваемо­ сти и растекания припоев. Традиционно для низкотемпературной пайки используются так называемые «активные» флюсы на основе га­ логенидов тяжелых и щелочных металлов. Основным компонентом таких флюсов являет­ ся хлорид цинка ZnCl2. В чистом виде хлорид цинка как флюс не используется в связи с вы­ сокой температурой плавления 330 °С]Обычно используемые флюсы, приведенные в табл. 7, можно разделить на четыре типа: водный рас­ твор ZnCl2; водный раствор ZnCl2, активиро­ ванный соляной кислотой (в обиходе «травле­ ная кислота»); водные растворы легкоплавких солевых эвтектик и комплексные солевые сис­ темы тяжелых и щелочных металлов, в боль­ шинстве своем также активированные НС1. При растворении ZnCl2 в воде протекает типо­ вой гидролиз соли, образованной слабым осно­ ванием поливалентного металла:

Гидролиз по 2-й ступени при комнатной температуре практически не идет. При нагреве с водным раствором флюса поверхность слабоокисленной меди подвергается сложной гидра­ тации, покрываясь зеленоватой пленкой основ­ ной соли:

2Cu + Н20 + С 0 2 = (Си0Н)2С 0 3,

при этом оксид меди Си20 частично окисляет­ ся до СиО за счет гидратации. В процессе дальнейшего нагрева под пайку, несмотря на испарение воды, гидролиз по 2 -й ступени уси­ ливается, сдвигаясь вправо, поскольку обра­ зующийся гидрооксид цинка нерастворим в

Пайка чугуна малооловянистыми

-

припоями. Порошок флюса в виде пасты замешивают на спирте или глицерине

Пайка углеродистых и коррозионно-

250 400

стойких сталей, меди и медных сплавов. Флюс длительно сохраняет активность

-

Пайка сталей в ваннах. Песок уменьшает образование дыма

Пайка преимущественно коррозионно-стойких сталей

-

свинцовыми припоями. Можно паять конструкционные стали, медь, никель и их сплавы свинцовыми и оловянно-свинцовыми припоями

Пайка преимущественно

250400 коррозионно-стойких сталей свинцовыми припоями

Назначение и характеристика флюса

Пайка сталей, меди, медных сплавов. Флюс нетоксичен, негорюч, нелетуч, не требует предварительного снятия окислов

Пайка термокомпенсаторов из вольфрама и его сплавов

воде, но хорошо растворим в разбавленных кислотах:

Zn(OH) 2 + 2НС1 = ZnCl2 + 2Н20 .

Если кислоты, образовавшейся при гид­ ролизе, недостаточно, то осадок гидрооксида мешает нормальному течению расплава при­ поя. Адсорбируясь на поверхности, он усили­ вает указанную гидратацию, теряя ОН-ионы и восстанавливаясь до гидрооксида меди ( 1 ), являющегося неустойчивым соединением, лег­ ко окисляющимся вновь, и т.д. Аналогичная картина наблюдается и с продуктами гидролиза СиС12: легкоплавкая основная соль по 1-й ступе­ ни хорошо растворима в воде, а Си(ОН) 2 - не­ растворим. Восстановление основного оксида меди Си20 происходит по реакции

Cu20 + 2НС1 = 2СиС12 + Н20.

Анионный механизм ее изложен в [16]. Часть образовавшегося и недиссоциированного хлорида меди с основной солью цинка образу­ ет смешанный гидрооксогалогенидный ком­ плекс Zn(CuCl2)OH, хорошо растворимый в воде. Поэтому важно иметь в виду, что нор­ мальное протекание процесса пайки требует повышенной интенсивности нагрева; в против­ ном случае при пайке приходится постоянно добавлять флюс.

Теперь нетрудно понять, с какой целью в насыщенный раствор ZnCl2 добавляют соля­ ную кислоту (2-й тип флюсов, например № 4, табл. 7) - ее задача растворить осадок Zn(OH)2:

Zn(OH) 2 + 2НС1 = ZnCl2 + 2Н20.

Третий тип флюсов, содержащих смесь хлоридов ZnCl2 и NH4CI (флюс № 2, табл. 7), характерен снижением температуры плавления в соответствии с их диаграммой состояния. Это соответствие в известной мере можно достичь, напротив, при низком темпе нагрева, когда с испарением воды 1-я стадия гидролиза ZnCl2 сдвигается влево, а гидролизу подвергается ка­ тион соли NH4 CI, образованной слабым основа­ нием. По мере испарения воды состав флюса возвращается к исходным ингредиентам:

NH4C1 + Н20 -» NH4OH + НС1.

В сущности, раствор NH4C1 характеризу­ ется реакцией накопления ионов Н+, и, как известно, его 3 %-ный раствор является весьма неплохим флюсом, причем остатки продукта его гидролиза - NH4OH - разлагаются на ам­ миак и воду. В частности, в работе [17], как одно из положительных свойств хлорида ам­ мония, рассматривается возможная диссоциа­ ция его при нагреве на аммиак и хлористый водород; при этом аммиак при нагреве также диссоциирует на N2 и ЗН2, т.е. якобы образу­ ются защитная среда и восстановитель. Такое утверждение ошибочно, так как восстановите­ лем может быть атомарный водород, который образуется при температуре выше 500 °С.

Последний тип флюсов, содержащих до­ бавки солей щелочных и тяжелых металлов, рассчитан на «заместительную» способность элементов в ряду Бекетова: каждый впередистоящий элемент вытесняет последующие из растворов их солей. Правомерен вопрос: уда­ ляется ли полностью оксид, например, меди при толщине структурно-сложного образова-

ния на поверхности порядка 30 40 нм за счет реакции протонирования, или же кислород удаляется с реальной атомарной поверхности на глубину 3-4 межатомных расстояний, а его место восполняют выделенные из солей атомы меди, например по реакции

Sn + CuCl2 = Си + SnCl2.

В самом деле, медь не растворяется в со­ ляной и разбавленных кислородсодержащих кислотах, и механизм ее травления достаточно сложен, а тем более осложнен доступ протона на определенную глубину. Именно поэтому, видимо, флюсы типа № 18, табл. 7, содержат в своем составе «травитель» - хлорид железа, хотя медь может и растворяться в растворе аммиака, образуя комплексное соединение

2Cu + 8 NH4OH + 0 2 = 2Cu(NH3) 4 ОН2 + 6Н20.

Если согласиться с тем, что частично вос­ становленная медь сама себя покрывает медью по реакции замещения, то при пайке, например, латуни эту функцию могут выполнять цинк ла­ туни или олово из припоя. Тогда может оказать­ ся, что пайка проходит как бы по «барьерному» слою, а остающийся под ним кислородсодержа­ щий слой может существенно повлиять на кине­ тику образования промежуточных фаз, а следо­ вательно, на прочность соединения и сам харак­ тер разрушения. Что касается реакций замеще­ ния в ионных соединениях непосредственно между солями да еще с одним и тем же анионом, то по ним в литературе пока нет убедительных данных. Следует полагать, что их роль во флю­ сах аналогична роли хлорида цинка, поэтому флюсы № 7,16, 17 практически не используются.

В отношении практически неиспользуемых «реактивных» флюсов необходимо отметить, что для образования слоя расплава толщиной не менее 5 6 мкм, по которому возможно расте­ кание 3-го рода (сплавление) [16], содержание «реактивного» компонента должно быть по крайней мере не ниже, чем содержание хлорида цинка в одноименных флюсах.

ФЛЮСЫ НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Основу органических флюсов составляет канифоль. Как продукт жизнедеятельности, канифоль - гидроксиполиконденсат амино­ абиетиновой кислоты с примесями органиче­ ских кислот жирного ряда. Растворы канифоли и ее расплав имеют нейтральную реакцию сре­ ды. Выпускается дегидратированная, очищенная

от примесей (фумаризованная) канифоль под маркой ОК-5 (Нижний Новгород, ЦНИЛХИ). Промышленная неочищенная канифоль выпус­ кается под марками «А» и «В». В чистом виде канифоль как флюс используется крайне редко, в основном для очистки и облуживания па­ яльного инструмента. Наиболее распростра­ ненным из канифольных флюсов является флюс ФКСп (табл. 8 , № 1), известный как инактивный 30 %-ный ее раствор в этаноле. Определенное статистическое количество мо­ лекул или цепей, соединенное пептидными группировками и заканчивающееся карбок­ сильными и амидными «хвостами», определяет типовую активность канифоли, позволяющую использовать ее в виде расплава или раствора для пайки материалов, обладающих хорошей паяемостью:

-H 2N -CH -C -NH -CH -C-NH .. .NH-CH-С Ю

Диссоциация канифоли по ионам водорода и в расплаве, и в растворах обнаруживается лишь по краевому эффекту на индикаторной бумаге, что свидетельствует о том, что канифоль все­ гда сохраняет структуру биполярного иона аминокислоты с нейтральной реакцией среды:

Несмотря на это, раствор канифоли уже при комнатной температуре восстанавливает оксид меди характерной для аминокислот реакцией образования комплексной соли меди:

R-CH -C=0

I Ч0

NH, \ ';С и

NH2 " " /

R-CH -C=0

которая может протекать между двумя разно­ ориентированными молекулами, соединяя их в общую цепь.

Остатки канифольных этаноловых рас­ творов страдают известными недостатками. Во-первых, в тех местах, где растекшийся флюс нагревался до 80 °С, этиловый спирт окисляется, минуя альдегидное состояние, ки­ слородом воздуха до уксусной кислоты, при­ чем катализатором этой реакции является сама медь. Во влажной атмосфере остатки кислоты образуют с оксидом меди ацетат, известный как «ярь-медянка», используемая для изготов­ ления зеленой краски:

/

R-CH2-OH + [20] -> R-C + Н20,

ОН

R-CH2-OH + 20 - - - R-C + Н20,

О

/ /

2R-C + Cu20 = 2RC00Cu + Н20 (R = СН3).

ОН

Новые канифольные флюсы поэтому готовят на пропаноле-2 , окисляющемся до ацетона.

Пептидные группировки относительно легко гидратируются, поскольку на ближай­ шем к аминогруппе атоме углерода находится гидроксил. В результате, в условиях повышен­ ной влажности, остатки канифоли как бы рас­

сыпаются на молекулы, образуя серо-желтый порошок. Добавки некоторых активаторов, например нитрилотриэтанола, усиливают гид­ ролиз остатков и, в частности, продукта реак­ ции канифоли с оксидом - комплекса двухва­ лентной соли меди. Образующийся гидрооксид меди голубого цвета

CU(RCOO)2 + 2Н20 = 2RC00H + Си(ОН)2,

смешиваясь с желтыми абиетинатами, образует смесь солей серо-зеленого цвета, которые сле­ дует отличать от ацетатной зелени при анализе электрохимических явлений.

Первые попытки создать флюсы-лаки (см. табл. 8 , № 3, флюс ЛТИ-120) не увенча­ лись успехом. Флюсы-лаки на основе поли­ эфирных смол (двухатомный спирт - двухос­ новная кислота) экологически опасны высоко­ токсичными растворителями (метилэтилкетон). Активирование канифоли карбоновыми кисло­ тами (см. табл. 8 , № 1 0 , 14-16) не решает про­ блемы электрохимической коррозии, не говоря уже о флюсах, содержащих галогенопроизвод­ ные и элементоорганические соединения. По­ этому остатки всех органических флюсов, кро­ ме флюса ФКСП на основе фумаризованной канифоли, следует удалять.

Температурный

Назначение и характеристика

интервал

пайки меди и ее сплавов не рекомендуется