Решение проблемы шлакообразования в паяльных ваннах

Георгий Александров

Главный инженер компании ProSMD

Припой, как знает каждый, кто расплавлял хоть сколько-нибудь значимое количество, в нагретом до температуры плавления состоянии склонен к активному окислению. И если у вас в хозяйстве (на заводе) есть достаточно внушительного размера паяльная ванна, установка пайки волной, или еще хуже (лучше) – установка селективной пайки, оксиды начинают представлять собой значимую проблему. Называйте их шлаком, дроссом, суть не меняется: количество их таков, что они не просто портят вид платы на платы – угрожают исправности самих паяльных машин. Масштаб представить легче, если увидеть на производстве установку по восстановлению припоя, в которую шлак загружается лопатой, а на выходе получаются брусочки очищенного металла.

Безусловно, проблема не стоит, если у вас в станке есть опция подачи азота, а в цеху его генератор, либо надежный поставщик высокочистого газа, однако оба варианта дороги и по-своему хлопотны – хотя бы по причине того, что непригодный для дыхания газ никак не способствует росту производительности труда.

Проблема решается внесением антидроссовых присадок, делящихся на два обширных семейства: ингибирующие и восстановительные, которые, как очевидно из названия, либо блокируют окисление, либо восстанавливают оксиды до металла и улетающих газообразных продуктов. В некоторых специализированных установках используются высокотермостабильные жидкости, образующие барьер на поверхности расплавленного металла.  Однако, присадки, неоднородные по фазе с припоем не являются предпочтительными, поскольку снижают стабильность волны/струи и показывают в целом меньшую надежность готового соединения.

Поэтому, в дальнейшем речь пойдет исключительно об ингибирующих добавках, которые представлены почти исключительно микролегирующими присадками. Основными элементами, обуславливающими их действие, являются германий, галлий и фосфор. Если английский не вызывает затруднений и интересно почитать в более академичном ключе – добро пожаловать по ссылкам: https://clck.ru/3UTHvz, https://clck.ru/3UTHwd. Их объединяет способность к образованию на поверхности расплава тонкой пленки, достаточно эффективно препятствующей окислению.

Из всех перечисленных элементов, чаще всего применяется германий (Ge), вносимый как в составе изначально легированных припоев, так и, в более универсальной концепции – в виде лигатуры, известной также под названием Sn-Ge1, сплава с 1% германия. Лигатура применяется, поскольку чистый металлический германий в олове растворить тяжеловато, и в виде солей его применение распространения не получило. Лигатура растворяется в жидком припое стремительно, высвобождая германий, который диффундирует к поверхности, окисляясь с образованием мономолекулярной пленки оксида германия GeO₂, которая практически не влияет на смачивающие свойства припоя, вместе с тем, отлично изолируя его от атмосферы. Данное сочетание свойств достигается при содержании Ge в готовом расплаве в диапазоне 0,002- 0,01%, оптимальным считается 0,005%. При такой концентрации достаточно 5граммов лигатуры на килограмм припоя в резервуаре.

Аналогичным образом действует и фосфорная лигатура, представляющая собой твердый раствор фосфида олова Sn₃P₂ в олове.

Почему так много внимания уделяется химии

Может случиться так, что буквально во всей стране нет достаточного количества антидроссовых таблеток, которые можно привезти за приемлемый срок. Тогда приходится оперативно организовать в шоуруме средневековую лабораторию по получению философского камня, в данном случае – противоокислительных присадок. В один из моментов, довелось экспериментировать подобным образом и нам. Забегая вперед – с успехом.

Итак, изготовление антидроссовых гранул для паяльных агрегатов.

Для нашего состава был выбран германий, поскольку галлийсодержащие рецептуры применяются исключительно в бессвинцовом процессе и несовместимы с большинством доступных паяльных установок, являясь, скорее, опасной экзотикой. Фосфид же олова оказался сложнодоступным реактивом, а вот микронизированный порошок сверхчистого германия, напротив, имелся в наличии и достаточно недорого. Однако, сплавить его с оловом, задача нетривиальная, поскольку, как очевидно из его справочных характеристик, он имеет вчетверо (938°C) большую, чем у олова, температуру плавления, при этом меньшую плотность – если всыпать его в расплав, он даст только некрасивый порошок оксида. Придется задействовать диффузное растворение металлов при температуре втрое меньше температуры плавления самого металла.

Из закромов были извлечены огнеупорные краги, защитная маска, тигель и лопатка в виде расплющенного на конце титанового прута, а у соседей по складскому комплексу был одолжен баллон аргона для создания инертной атмосферы.

Туториал, в общем незамысловат:

1. Первым делом германий массой 10 граммов всыпается в металлическую трубку и выдерживается под давлением пресса, превращаясь в хрупкую таблетку.

2. Далее требуется расплавить на лабораторной плите 990 граммов олова, и, при постоянном нагнетании аргона в короб, где она установлена, нагреть его до температуры в диапазоне 300-400 градусов.

3. Теперь можно погрузить таблетку в расплав, придавливая нашей лопаткой.

4. Таблетку придется перемещать по дну в течение 30-40 минут до полного растворения.

5. После того, как визуально и тактильно расплав станет однороден, нагрев отключается. Ждем охлаждения до примерно 250 °C.

6. На заключительном этапе рядом с плитой в той же инертной среде должна лежать форма для отливки. В нашем случае она была выфрезерована на ЧПУ из дюралевого бруска с заранее сформированными рисками для отлома.

7. Готовые прутки с насечкой протираются с мылом жесткой посудной губкой и спиртом, и укладываются в пакет для пересыла, вы великолепны.

Данный опыт не рекомендуется повторять НИКОМУ, в процессе были сожжены тысячи волос на теле и чудом не убит наладчик оборудования.

С Вами был Магистр Георгий, рассказывайте, что еще приходилось варить.