1.5. Флюсы

Паяемые металлы при нагреве быстро соединяются с кислородом и образуют пленку из окислов, препятствующую смачиванию металла припоем. Для удаления окислов и предотвращения дальнейшего окисления при пайке применяют химические вещества, называемые флюсами. Флюсы очищают паяемые поверхности либо путем растворения оксидных пленок, либо путем проникновения под них с последующим отслаиванием. Предотвратить окисление можно также пайкой в среде защитного газа или в вакууме [4].

В процессе пайки флюсы должны выполнить следующие задачи:

1) растворить имеющиеся остатки окислов;

2) защитить места пайки и припой от окисления;

3) способствовать повышению жидкотекучести припоя.

Чтобы решить эти задачи, флюсующие средства должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Рабочая температура припоя и температура действия флюсов должны быть согласованы между собой. Флюс должен находиться в расплавленном состоянии и проявлять свою активность до того, как расплавится припой. Скорость реакции, т.е. темп растворения окислов, должен быть выше, чем скорость пайки. Пайка должна проводиться достаточно быстро, чтобы помешать появлению новых окислов.

2. Вязкость флюса должна быть относительно низкой, чтобы не препятствовать растеканию припоя. С другой стороны, вязкость должна быть достаточной для надежного покрытия флюсом припоя и места пайки единым защитным слоем. Хороший флюс должен иметь низкое поверхностное натяжение, чтобы он мог в расплавленном состоянии хорошо смочить и покрыть поверхность основного металла.

3. Флюсующие средства должны полностью отшлаковывать загрязнения и отводить их из зоны пайки. Недостаточно, если флюс только растворяет остатки окислов, он должен также удалять продукты растворения от места пайки. В противном случае вязкий слой шлака будет снижать подвижность припоя и препятствовать активному действию новых порций флюсующих материалов на поверхность металла.

4. Флюсы не должны вступать в реакцию с припоем.

5. Флюсы не должны вызывать коррозионного влияния на соединяемые детали и припой.

6. Флюсы не должны менять своего химического состава при нагревании вследствие испарения отдельных компонентов, т.е. не снижать активность в предусмотренном интервале температуры пайки. Кроме того, флюсы должны сохранять свои качества до затвердевания припоя [5].

По степени химической активности флюсы делятся на две группы: слабоактивные и сильноактивные.

Флюсы первой группы применяются при пайке мягкими припоями изделий из недрагоценных металлов, второй – при пайке твердыми припоями изделий из драгоценных металлов. Слабоактивные флюсы – это канифоль, древесные смолы, воск, стеарин, вазелин, животные жиры, минеральные масла и др. Сильноактивные флюсы – это бура, борная кислота, хлориды и фториды металлов и др.

Наиболее распространенными флюсами для пайки изделий из драгоценных металлов являются бура и смесь буры с борной кислотой в различных пропорциях.

Бура (Na₂B₄O₇·10H₂O – тетраборат натрия) – белое кристаллическое вещество, плотностью 1,7–1,8 г/см³, тяжелее воды. В порошкообразном состоянии бура очень похожа на борную кислоту, но более шелковиста на ощупь. При нагревании до 450°С бура теряет кристаллизационную воду, при температуре 741°С плавится, образуя прозрачную стекловидную массу. В расплавленном состоянии бура способна растворять оксиды металлов.

Борная кислота (Н₃ВО₃) – белое кристаллическое вещество, плотностью 1,4–1,5 г/см³. Легко растворяется в горячей воде, но при охлаждении снова кристаллизуется, т.к. в холодной воде малорастворима [3, 7].

Чтобы отличить буру от борной кислоты, достаточно немного этих веществ насыпать в сосуд с водой. Борная кислота частично остается на поверхности воды в виде пыльцы, а бура тонет.

Стандартные рекомендуемые соотношения частей буры и борной кислоты – 1:1, 1:2 и 2:1. Наиболее универсален флюс, приготовленный из буры и борной кислоты в соотношении 1:1. Однако флюс в соотношении 1:2 улучшает растекание припоя при пайке изделий из золота, в соотношении 2:1 – из серебра.

Способ приготовления насыщенного раствора буры. В фарфоровую ступку засыпают определенное количество порошкообразной буры и наливают воду до полного покрытия порошка. Затем ступку нагревают до полного растворения буры и охлаждают. Охлаждаясь, раствор кристаллизуется. Кристаллы тщательно перетирают и заливают водой до образования жидкой кашицы.

Способ приготовления флюса из смеси буры и борной кислоты. Химикаты смешивают в необходимых пропорциях в металлической посуде, после чего смесь подвергают нагреву. Реактивы начинают плавиться, и на поверхности образовавшейся смеси появляется множество пузырьков. Нагревание прекращается при появлении над поверхностью состава большого пузыря, покрывающего всю смесь (так называемый шатер). После охлаждения состав начинает кристаллизоваться. Кристаллы в этом же сосуде тщательно перетирают до получения порошкообразной массы, затем разбавляют водой до консистенции сметаны [9].

При использовании припоев для низкопробного золота может возникнуть необходимость работы с более легкоплавким и легкотекучим флюсом. В последнее время на ювелирном рынке появилось множество флюсов промышленного производства для всего диапазона возможных температур пайки. В их состав входит бура или тетраборат калия, борная кислота, гидрофторид калия и иногда кремнефторид калия. Предпочтительно использование калийных, а не натриевых солей, т.к. таким образом удается избавиться от слепящего ярко-желтого свечения пламени. Фториды понижают температуру плавления флюсов и улучшают их флюсующее действие [2].

Нанесение флюса производится смачиванием всей детали с помощью кисточки, либо окунанием. Пайку начинают с осторожного подсушивания пламенем горелки флюса и припоя. Это делается для предотвращения пузырения и разбрызгивания флюса, а также вытекания припоя из стыка. После того как припой разогрет и расплавлен, он должен свободно растекаться по спаиваемым частям, заполняя все микропоры между плотно подогнанными соединяемыми поверхностями.

После пайки остатки флюса необходимо удалить, т.к. большинство флюсов коррозионно активны. Для этого сразу после затвердевания припоя изделие промывают водой, используя при необходимости щетку. В последнее время для удаления остатков флюса широко используются ультразвуковые ванны и пароструйные очистители [3, 7].

Пар подается под давлением 1,4–4,5 бар из подогреваемого резервуара с водой. При использовании пароструйных очистителей рекомендуется использовать деионизированную воду, т.к. водопроводная вода после испарения может давать твердый осадок.