Автори статті не прогнозують великих переваг наявності фосфору в паяльних сплавах – він відповідає за ерозію тиглів, перешкоджає затвердінню зв’язуючих речовин, що містять мідь, і збільшує кількість утвореного шлаку до 60%.
Фосфор довгий час був «секретним інгредієнтом» сплавів з олова і свинцю, особливо припоїв із переробленого металу. Фосфор – потужний розкислювач, який видаляє шлаки і надає блиск поверхні розплавленого припою. З переходом на безсвинцеві припої з високим вмістом срібла, які мають сильну тенденцію до окислення та утворення великої кількості шлаку, фосфор став легуючим інгредієнтом, який широко використовувався, але рідко згадувався.
Ерозія ванн для припою, яка змусила виробників удосконалювати матеріали, що використовуються в конструкціях машин для паяння хвилею, є насамперед результатом присутності фосфору в концентрації 100 ppm, який зазвичай міститься в складі сплавів SAC. Зараз, коли виробники припоїв прагнуть просувати припої з низьким або навіть нульовим вмістом Ag, наявність або відсутність фосфору та інших антиоксидантів, які мають менш шкідливі побічні ефекти, стала дискусійним питанням. У статті «The Effects of Phosphorus in Lead-Free Solders» («Вплив фосфору на безсвинцеві припої») автори представили серію експериментів, які були проведені для визначення впливу додавання фосфору на поведінку та властивості безсвинцевого припою, який широко використовується.
Контроль кількості шлаку
Олово є найбільш сприйнятливим до окислення компонентом безсвинцевих припоїв, а також є їх основним компонентом: безсвинцеві припої містять принаймні 95% олова порівняно з 63% для припоїв на основі свинцю. Окислення припою, особливо в поєднанні з турбулентністю, пов’язаною з хвилею припою, призводить до утворення шлаку, який є сумішшю шламу неокисленого припою, захопленого сіткою оксидів. Цей шлак заважає ефективній роботі апарата для паяння хвилею, тому його необхідно періодично видаляти. Ці залишки можна переробити, а металевий вміст відновити та переробити, але виробництво шлакових відходів витрачає дорогий припій і збільшує вартість експлуатації лінії, тому його утворення має бути зведене до мінімуму. Фосфор є потужним антиоксидантом, який широко використовується для контролю кількості утворення шлаку в олов’яно-свинцевих припоях і став звичайним інгредієнтом безсвинцевих припоїв, таких як широко використовуваний сплав Sn-3,0Ag-0,5Cu або SAC305.
Ерозія машин для пайки
Крім того, що фосфор є потужним антиоксидантом, він також може руйнувати оксидний шар, який забезпечує стійкість нержавіючої сталі до змочування розплавленим припоєм. Після проникнення в захисний оксидний шар розплавлений припій змочує сплав Fe-Cr-Ni, який потім починає розчинятися в припої. Наслідком цього є ерозія частин, які піддаються впливу розплавленого припою, і навіть перфорація стінок ванни для паяння (мал. 1), що призводить до витоку розплавленого припою та створює серйозні проблеми для здоров’я та безпеки, а також пошкоджує апарат.
Малюнок 1. Ерозія деталей машини для пайки хвилею з нержавіючої сталі під дією безсвинцевого припою.
Одним із рішень проблеми ерозії машини, спричиненої наявністю фосфору, доданого для контролю кількості утвореного шлаку, є виготовлення паяльних тиглів із чавуну, який є більш стійким до розчинення, або оздоблення його поверхні титаном. Насоси та форсунки стали більш стійкими до намокання та ерозії шляхом нанесення керамічних покриттів або обробки верхнього шару нітридами металів, які набагато стійкіші до намокання та розчинення. Однак ці процедури значно здорожують обладнання для паяння хвилею.
Інший підхід полягає у використанні германію як антиоксиданту, який не впливає на захисний оксидний шар нержавіючої сталі та є принаймні таким же ефективним, як фосфор, у контролі утворення шлаку в тиглі: паяльний сплав із германієм як антиоксидантом вже широко використовується (Sn-0,7Cu-0,05Ni+<0,01Ge).
Вплив на текучість припою
Іншою проблемою, пов’язаною з додаванням фосфору, є наявність мікролегованої добавки нікелю в безсвинцевих припоях. Було встановлено, що додавання нікелю на рівні приблизно 0,05% має дуже сильний вплив на поведінку сплаву Sn0.7Cu з номінальним евтектичним складом (мал. 2). Немодифікований сплав Sn0.7Cu твердне в два етапи: спочатку дендрити олова ростуть і тверднуть, а евтектичний сплав Sn-Cu6Sn5 остаточно твердне в проміжках між дендритами. Це двоетапне затвердіння призводить до тьмяної, потрісканої поверхні сплаву. Гладка і яскрава поверхня сплаву Sn0.7Cu-0.05Ni за тих самих умов вказує на те, що двостадійне затвердіння було замінено одностадійним псевдоевтектичним затвердінням, що означає, що сплав поводиться більше як евтектичний Sn-37Pb у процесах пайки.
а) Sn0.7Cu 
b) Sn0.7Cu-0.05Ni
Малюнок 2. Вплив додавання 0.05 Ni на литу поверхню Sn0.7Cu.
Однак було виявлено, що коли до Sn0.7Cu-0.05Ni додають фосфор, нова добавка реагує з нікелем з утворенням фосфіду нікелю. Зв’язаний таким чином нікель більше не підтримує псевдоевтектичний процес затвердіння, що, як наслідок, негативно впливає на текучість припою – після додавання фосфору мікроструктура Sn0.7Cu-0.05Ni вказує на повернення до двох стадій затвердіння, характерних для основного сплаву Sn0.7Cu.
Хоча було накопичено значні практичні та експериментальні докази негативного впливу добавок фосфору на безсвинцевий припій та обладнання, в якому вони використовуються, подальші експерименти виявили нові проблеми:
- Вплив добавок фосфору на розчинність міді
- Вплив добавок фосфору на змочування мідних підкладок
- Вплив добавок фосфору до припою на ерозію наконечників паяльника
- Вплив добавок фосфору на припої, в яких кількість утвореного шлаку вже контролюється додаванням германію
a) 
b) 
c)
Малюнок 3. Вплив додавання фосфору до сплаву на ерозію наконечника паяльного інструмента. (a) жало перед тестуванням, (b) і (c) жало після 15 000 операцій пайки з Sn-0,7Cu0,05Ni+<0,01Ge і Sn-0,7Cu-0,05Ni+0,01Ge+ <0,01 P відповідно.
Детальний опис експерименту можна знайти в оригінальному тексті статті «The Effects of Phosphorus in Lead-Free Solders», автори Keith Sweatman, Takatoshi Nishimura oraz Takuro Fukami z firmy Nihon Superior Co., Ltd, Osaka, Japonia. Крім опису самих тестів і детальної методики аналізу отриманих даних, ми хочемо лише навести висновки, до яких прийшла команда вчених після проведення тестів.
- Фосфор не слід використовувати як легуючу добавку в безсвинцевих припоях, особливо тих, що використовують нікель для сприяння евтектичному затвердінню.
- Додавання фосфору до безсвинцевих припоїв сприяє змочуванню і, як наслідок, ерозії деталей апаратів для пайки з нержавіючої сталі, таких як тиглі або наконечникі паяльних інструментів.
- Фосфор, доданий до олов’яно-мідно-нікелевих припоїв, реагує з нікелем, зменшуючи його сприятливий вплив на текучість припою та стабільність Cu6Sn5.
- Сповільнюється змочування міді.
- Швидкість утворення шлаку зростає в олово-мідно-нікелевих сплавах, які вже містять германій як антиоксидант. Замість синергічної роботи з германієм для досягнення ще меншої кількості шлаку, фосфор, здається, діє як прискорювач цього небажаного процесу, при цьому рівень виробництва шлаку збільшується більш ніж на 60%. Германій є ефективним антиоксидантом, який не викликає шкідливих побічних ефектів, які виникають, коли фосфор використовується як легуюча добавка для контролю окислення.
За матеріалами сайту https://tek.info.pl
Лайкнути
Твітнути