CZ300396B6

CZ300396B6 - Tavidlo, použití jeho aktivacní prísady a kompozitní materiál pájky s tímto tavidlem

Info

Publication number: CZ300396B6
Application number: CZ20001677A
Authority: CZ
Inventors: Koch@Jürgen; Wittpahl@Sandra; Weber@Wolfgang; Kohlweiler@Wolfgang
Original assignee: Umicore Ag & Co. Kg
Priority date: 1999-05-08
Filing date: 2000-05-05
Publication date: 2009-05-13
Also published as: EP1052053B1; ZA200002176B; KR20000077157A; DE19921332A1; CN1273155A; DE50012844D1; AU3250200A; ATE327855T1; PL193962B1; TR200001259A3; EP1052053A3; EP1052053A2; CZ20001677A3; PL340028A1; TW449524B; KR100648389B1; ES2262468T3; JP4705221B2; NO20002362D0; CA2308743A1

Abstract

Tavidlo na bázi anorganických sloucenin boru a/nebo halogenu pro pájení natvrdo obtížne smácitelných kovových materiálu pájkami na bázi stríbra a medi, které jako aktivacní prísadu obsahuje, vztaženo na celkové množství tavidla, 0,01 až 10 % hmotn. elementárního boru a 0,01 až 10 % hmotn. wolframu v elementární forme, jako slitinu nebo v oxidické forme, nebo mangan v elementární forme, jako slitinu mangan-nikl 40 nebo v oxidické forme. Použití aktivacní prísady tavidla a kompozitní materiál pájky s tímto tavidlem.

Description

Tavidlo, použití jeho aktivační přísady a kompozitní materiál pájky s tímto tavidlem

Oblast techniky 5

Vynález se týká tavidla pro pájení natvrdo obtížně smáčitelných kovových materiálů pájkami na bázi stříbra a mědi. Za takovéto materiály, při pájení natvrdo pájkou obtížně smáčitelnč, jsou pokládány nerezové a otřepů prosté oceli, jakož i kompozitní materiály vyrobené práškovou metalurgií, například tvrdokovy. Vynález se dále týká použití aktivační přísady tavidla a kompo10 žitního materiálu pájky s tímto tavidlem.

Dosavadní stav techniky

Pájení je termický proces pro látkově souvislé spojovaní a pro povlakování materiálů, při kterém tavením kovového materiálu, totiž pájky, vzniká kapalná fáze. Teploty solidu základního materiálu přitom není dosaženo.

Jako pájky se používají slitiny nebo čisté kovy. Pracuje-li se s pájkami, jejichž teplota likviduje vyšší než 450 °C, hovoří se o pájení natvrdo.

Za předpokladu kovově čistých povrchů může kapalná pájka základní materiál smáčet, pokud s ním tvoří směsné krystaly nebo intermetalické sloučeniny. Pájka se pak rozprostře po ploše spojení a vytvoří po ztuhnutí namáhatelné spojení se základním materiálem.

Při pájitelném uspořádání tvoří obě paralelní styčné plochy spojovaných součástí úzkou štěrbinu. Roztavená pájka pak vtéká účinkem kapilárního efektu samovolně do pájecí štěrbiny a vyplňuje ji. Minimální teplota povrchu pájených součástí, při které tento proces nerušené probíhá, je takzvaná pracovní teplota. Ta představuje veličinu charakteristickou pro příslušnou pájku.

Roztavená pájka se musí, aby mohlo nastat spojení se základním materiálem, dostat do bezprostředního styku s kovovým základním materiálem. Vrstvy oxidů, které jsou přítomny na každém technickém kovovém povrchu, musí být nejdříve narušeny a odstraněny. Při pájení na vzduchu se to provádí pokrytím místa pájení tavidlem, v jehož tavenině přecházejí oxidy při pájecí teplotě do roztoku nebo se rozkládají.

Tavidlo tedy má za úkol odstranit oxidy přítomné na povrchu pájky a materiálu a zamezit jejich novému vytváření během procesu pájení, aby pájka mohla dostatečně smáčet základní materiál.

Bod tání a účinná teplota tavidla musí být přizpůsobeny pracovní teplotě použité pájky, přičemž tavidlo by se mělo tavit asi 50 až 100 °C pod pracovní teplotou použité pájky a od této teploty by mělo být plně účinné. Dále musí roztavené tavidlo tvořit na předmětu hutný, rovnoměrný potah, který zůstává zachován při požadované pájecí teplotě a po celou dobu pájení.

Tavidla pro pájení natvrdo sestávají v podstatě ze směsí solí, které jsou schopné v roztaveném stavu rozpouštět oxidy kovů. Jedná se v podstatě o anorganické sloučeniny boru, jako zejména boritany a fluoroboritany alkalických kovů, a halogenidy, jako zejména fluoridy alkalických kovů.

Norma DIN EN 1045 dělí tavidla pro pájení natvrdo těžkých kovů (typ FH) podle jejich složení a účinné teploty do sedmi tříd. Tavidla se používají jako prášky, pasty nebo suspenze, přičemž posledně uvedené se nanášejí na předměty stříkáním, natíráním nebo máčením. Následně se zahřejí na teplotu tavení a prostřednictvím přídavku pájky se základní materiály látkově souvisle navzájem spojí. Je známa také kombinace tavidla a pájky jako jeden výrobek. V praxi se pro

-1 CZ 300396 B6 spojování základních materiálů také používají tavidlem povlečené tvarované díly nebo tavidlem oplášťované pájkové dráty.

Ve spisu DE 24 44 521 je popsáno tavidlo pro pájení, které sestává z kyseliny borité a různých polyboritanů alkalických kovů. Toto tavidlo může navíc obsahovat 1 % hmotn. boru ve formě prvku.

Spis GB 909 314 popisuje tavidlo pro pájení natvrdo niklu a slitin niklu. Toto tavidlo obsahuje, vedle obvyklých složek jako je tetrafluoroboritan draselný, metaboritan draselný a fluorid draselio ný, navíc ještě sloučeniny mědi, jako oxid měďnatý, popř. chlorid měďnatý. Posledně uvedené složky mají potlačit reakci tavidla se základním materiálem, aby bylo zamezeno jeho zkřehnutí.

Spis DD-A 263 655 obsahuje pájecí směs pro pájení ocelí a vrtacích nástrojů ze slitin tvrdokovů.

Tato pájecí směs obsahuje 68 až 74 % tvrdé pájky na základě mědi a niklu a 26 až 32 % tavidla z 15 alkalického boritanu, které přídavně obsahuje bor a silikomangan.

Známá tavidla však mají jednu velkou nevýhodu. Obtížně smáčitelné základní materiály, jako například nerezové a otřepů prosté oceli, jakož i tvrdokovy, zejména tvrdokovy s nízkými obsahy kobaltu, menšími než 6 % (KO1-10, P05), se při použití obvyklých tavidel jen nedostatečně smáčí kapalnou pájkou, pro spojování takovýchto základních materiálů se v oboru používají tavidla obsahující přídavek elementárního boru (typ FH12). Přídavek boru zvyšuje stálost od asi 700 °C, to znamená prodlužuje dobu, po kterou je tavidlo aktivní. Smáčení tvrdokovů a chromniklových ocelí se však přídavkem boru, zejména při pájení s nízkými pracovními teplotami (pod 680 °C), prakticky nezlepší.

Speciální pájení, jako například spojování tvrdokovů osazených diamanty, vyžaduje ještě nižší pájecí teploty, aby tvrdokov a diamantový povlak nebyly poškozeny. Pro tento případ použití se používá stříbrná tvrdá pájka s obsahem kadmia, popřípadě výhodně stříbrná tvrdá pájka s obsahem galia, které jsou popsány ve spisech DE 43 15 188 a DE 43 15 189. Tyto pájky mají pracov30 ní teplotu 590 až 640 °C. Konvenční tavidla mají v této oblasti teplot ještě nedostatečný účinek a smáčecí schopnost. To snižuje spolehlivost postupu při pájení a vede ke zvýšení zmetkovitosti a snížení kvality výrobku.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu tedy je vyvinout tavidlo pro pájení natvrdo obtížně smáčitelných základních materiálů, jako jsou nerezové a otřepů prosté oceli a tvrdokovy, přičemž jako základní složky tohoto tavidla se používají všechny kombinace solí, které upravuje norma DIN EN 1045 pro pájení natvrdo těžkých kovů (typ FH) a které umožňuje s pájkami na bázi stříbra a mědi zřetelně lepší smáčení základního materiálu.

Uvedený úkol splňuje tavidlo na bázi anorganických sloučenin boru a/nebo halogenů pro pájení natvrdo obtížně smáčitelných kovových materiálů pájkami na bázi stříbra a mědi, podle vynálezu, jehož podstatou je, že jako aktivační přísadu obsahuje, vztaženo na celkové množství tavidla, 0,01 až 10 % hmotn. elementárního boru a 0,01 až 10 % hmotn. wolframu v elementární formě, jako slitinu nebo v oxidické formě, nebo mangan v elementární formě, jako slitinu mangan-nikl 40 nebo v oxidické formě.

Překvapivě se ukázalo, že pomocí tavidla podle vynálezu je smáčení obtížně smáčitelných materiálů, jako nerezové a otřepů prosté oceli a zejména také tvrdokovů s nízkými obsahy kovu, ve srovnání s konvenčními tavidly zřetelně zlepšeno. Obsah boru a dále wolfram v elementární formě, jako slitina nebo v oxidické formě, nebo mangan v elementární formě, jako slitina mangan-nikl 40 nebo v oxidické formě, zřejmě způsobuje odpovídající aktivaci tavidla, které má jinak konvenční složení. V této souvislosti je zajímavé, že jednotlivé složky této aktivační směsi

-2CZ 300396 B6 samy o sobě nevykazují žádné zlepšení účinku konvenčního tavidla. Teprve kombinace boru s wolframem v elementární formě, jako slitinou nebo v oxidické formě, nebo manganu v elementární formě, jako slitinou mangan-nikl 40 nebo v oxidické formě, vykazuje ve spojení s tavidly pro pájení natvrdo ze sloučenin boru a/nebo halogenů toto překvapivé chování.

Tavidlo pro pájení natvrdo jev podstatě založeno na základních látkách pro taková tavidla známých a obvyklých a na jejich směsích, které jsou z hlediska kvality a kvantity předem stanoveny například normou DIN EN 1045.

io Takovými základními složkami jsou anorganické sloučeniny boru a/nebo halogenů. Jako sloučeniny boru přicházejí v úvahu zejména kyselina boritá, jakož i boritany nebo komplexní boritany alkalických kovů a kovů alkalických zemin, zejména borax (tetraboritan sodný), tetraboritan draselný a tetrafluoroboritan draselný. Jako sloučeniny halogenů přicházejí v úvahu zejména fluoridy a chloridy alkalických kovů a kovů alkalických zemin, zejména fluorid draselný a fluorid sodný nebo hydrogenfluorid draselný a hydrogenfluorid sodný.

Podle vynálezu obsahuje tedy tavidlo pro pájení natvrdo pro zvýšení smáčení aktivační přísadu, která obsahuje, vztaženo na celkové množství tavidla, 0,01 až 10 % hmotn. elementárního boru a 0,01 až 10 % hmotn. wolframu v elementární formě, jako slitinu nebo v oxidické formě, nebo mangan v elementární formě, jako slitinu mangan-nikl 40 nebo v oxidické formě. Tavidlo s výhodou obsahuje 0,1 až 5 % hmotn. boru a 0,1 až 5 % hmotn. wolframu v elementární formě, jako slitinu nebo v oxidické formě, nebo mangan v elementární formě, jako slitinu mangan-nikl 40 nebo v oxidické formě. Tavidlo s výhodou obsahuje 0,5až3 % hmotn. amorfního boru a 0,5 až 3 % hmotn. manganu v elementární formě, jako slitinu mangan-nikl 40 nebo v oxidické formě.

Jako elementární bor se s výhodou používá amorfní bor.

Složky aktivační přísady se používají s výhodou v jemné práškové formě, přičemž střední veli30 kost jejich částic je s výhodou menší než 45 pm.

Tavidlo podle vynálezu pro pájení natvrdo obtížně smáčíteIných materiálů se vyrobí tak, že nejprve se intenzivně homogenizuje, vztaženo na celkové množství tavidla, 0,01 až 10 % hmotn. jemného práškového boru s přísadou 0,01 až 10 % hmotn. jemného práškového wolframu v ele35 mentámí formě, jako slitina nebo v oxidické formě, nebo manganu v elementární formě, jako slitina mangan-nikl 40 nebo v oxidické formě, a poté se tato aktivační směs přimísí k jemné práškové směsi tavidla z anorganických sloučenin boru a halogenů.

Tavidlo podle vynálezu s výhodou obsahuje jako aktivační směs, vztaženo na celkové množství tavidla, 0,5 až 3 % hmotn. amorfního boru a 0,5 až 3 % hmotn. manganu v elementární formě, jako slitinu mangan-nikl 40 nebo v oxidické formě, vždy se střední zrnitostí menší než 45 pm. Mangan se s výhodou přidává ve formě slitiny mangan-nikl 40 nebo jako oxid manganičitý,

Pro uzpůsobení pro určité základní materiály a pracovní podmínky může tavidlo obsahovat až 2 % hmotn. Si, s výhodou ve formě vázané na kyslík, například jako oxid křemičitý. Také tato přísada se přidává ke směsi v příslušné jemně disperzní formě.

Tavidlo podle vynálezu je k dispozici především jako prášková směs a jako taková může být so použita známým způsobem.

Tavidlo může být k dispozici také ve formě past nebo suspenzí, pro jejichž získání se prášková směs hněte a/nebo suspenduje s inertními kapalinami, například vodou, alifatickými alkoholy, gly koly atd.

-3 CZ 300396 B6

Takováto tavidla ve formě past nebo suspenzí mohou dále obsahovat vhodná množství pomocných látek, například obvyklé tenzidy, pojivá nebo zahušťovadla.

Pro použití se tavidlo pro pájení natvrdo nanáší na spojované nebo pájené plochy základního 5 materiálu způsobem vhodným pro příslušnou formu, například posypáním, potíráním, natíráním, stříkáním nebo máčením, načež se provádí pájení. Přitom tavidlo podle vynálezu způsobuje při pájení natvrdo s pájkami na bázi stříbra a mědi značné zlepšen: smáčivosti pájky na základních materiálech. To je zvláště výrazné a výhodné u obtížně smáčítelných kovových materiálů, jako jsou zejména nerezové a otřepů prosté oceli a kompozitní materiály, vyrobené práškovou metalo lurgií. K posledně uvedeným patří tvrdokovy a tvrdé kompozitní materiály kov-keramika (např.

takzvané cermety), zejména s nízkým obsahem kovu.

Tavidlo podle vynálezu může být také kombinováno s pájkovými materiály, například jako prášková směs, pasta nebo suspenze, která obsahuje navíc i jemně disperzní pájku.

Další kombinace pájka-tavidlo jsou například pájky oplášťované tavidlem, které mohou být získány například vytlačováním schnoucích popř. tvrditelných pastovitých kompozic na pájku, například ve tvaru prutů a kroužků.

Příklady provedení vynálezu

Následující příklady obsahují typická provedení a formy použití tavidla podle vynálezu.

Příklad 1

Práškové tavidlo (typ FH 12 podle DIN EN 1045) % hmotn. tetraboritanu draselného

50 % hmotn. tetrafluoroboritanu draselného % hmotn. fluoridu draselného % hmotn. amorfního boru (střední velikost částic < 5 pm) % hmotn. práškového manganu (střední velikost částic < 45 pm)

Uvedené složky byly naváženy a po dobu 15 minut mlety a homogenizovány v mísiči Diosna. 0,5 g tohoto tavidla bylo naneseno na 1 cm² velkou destičku z tvrdokovů z SMG 02 (cerametal, obsah kobaltu 2 až 3 % hmotn.), dále byl přiložen 3 mm dlouhý úsek pájecího drátu a destička byla kyslíkoacetylenovým hořákem zahřátá až na teplotu tavení pájky. Kapalná pájka v krátké době smočila celou plochu tvrdokovů.

Pro srovnání bylo vyrobeno tavidlo ze stejných složek bez aktivační přísady boru a manganu a otestováno stejným způsobem. Pájka se roztavila, smočila však tvrdokov jen na ploše přiložení. Roztečení pájky po celém povrchu nenastalo.

Příklad 2

Vodné pastové tavidlo

16,3 % hmotn. hydrogenfluoridu draselného

27,2 % hmotn. tetraboritanu draselného

19,5 % hmotn. tetrafluoroboritanu draselného

0,7 % hmotn. oxidu manganičitého (střední velikost částic < 45 pm)

-4CZ 300396 B6

1,3 % hmotn. amorfního boru (střední velikost částic < 5 pm)

1,0 % hmotn. tenzidu (Marlowet PW)

34,0 % hmotn. vody

Příslušné množství vody bylo s tenzidem vsazeno do kotle. Za míchání pomocí mísiče byly postupně přidány ostatní složky a homogenizovány po dobu 30 minut.

Tato pasta byla porovnána s pastovým tavidlem pro pájení natvrdo tvrdokovů obvyklým na trhu (typ FH12, Degussa h spezial). Přitom byl každou pastou natřen vždy jeden plech z ušlechtilé oceli (1.4301). Z 500 pm silného pásku pájky ze slitiny B-Ag60CuSn-600/700 byly vyseknuty io kruhové destičky pájky a položeny na plechy. Ty byly následně v komorové peci zahřátý na teplotu 750 °C a po dvou minutách vyjmuty z pece. Po ochlazení byla měřena plocha smočená pájkou a dána do poměru s původní plochou pájky (index smáčení). Tavidlo podle vynálezu poskytovalo při tomto pokusu index smáčení 6-7, zatímco tavidlo obvyklé na trhu poskytuje hodnotu pouze 2-3.

Příklad 3

Práškové tavidlo (typ FH 21 podle DIN EN 1045)

35 % hmotn. boraxu % hmotn. kyseliny borité 22 % křemenného prášku % hmotn. amorfního boru (střední velikost částic < 5 pm) % hmotn. slitiny mangan-nikl 60/40 (střední velikost částic < 63 pm)

Tavidlo bylo vyrobeno analogicky příkladu 1. Zlepšení účinku bylo prokázáno pájením na tupo pozinkované oceli mosaznou pájkou L-CuZn40. K tomu byl 10 cm dlouhý pozinkovaný ocelový plech ohnut v úhlu 45° a postaven na druhý plech. V jednom rohu byl přiložen 10 mm dlouhý drát pájky z mosazi a kysl íko-acety lenovým hořákem a zahřát na pracovní teplotu pájky. Pájka při této zkoušce, při použití tavidla podle vynálezu, zcela vyplnila štěrbinu.

Naproti tomu, při použití tavidla stejného složení avšak bez aktivační přísady boru a slitiny mangan-nikl, zatéká pájka jen ke středu ohnutého plechu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Tavidlo na bázi anorganických sloučenin boru a/nebo halogenů pro pájení natvrdo obtížně smáčitelných kovových materiálů pájkami na bázi stříbra a mědi, vyznačující se tím, že jako aktivační přísadu obsahuje, vztaženo na celkové množství tavidla, 0,01 až 10 % hmotn. elementárního boru a 0,01 až 10 % hmotn. wolframu v elementární formě, jako slitinu nebo v

45 oxidické formě, nebo mangan v elementární formě, jako slitinu mangan-nikl 40 nebo v oxidické formě.
2. Tavidlo podle nároku 1,vyznačuj ící se tím,že obsahuje 0,1 až 5 % hmotn. boru a 0,1 až 5 % hmotn. wolframu v elementární formě, jako slitinu nebo v oxidické formě, nebo man50 gan v elementární formě, jako slitinu mangan-nikl 40 nebo v oxidické formě.

-5CZ 300396 B6
3. Tavidlo podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že obsahuje 0,5 až 3 % hmotn. amorfního boru a 0,5 až 3 % hmotn. manganu v elementární formě, jako slitinu mangan-níkl 40 nebo v oxidícké formě.
5 4. Tavidlo podle nároků laž 3, vyznačující se tím,že obsahuje aktivační přísadu ve formě jemného prášku se střední velikostí částic < 45 pm.

5. Tavidlo podle nároků laž 4, vyznačující se tím, že je vytvořeno jako prášková směs, pasta nebo suspenze.
6. Použití aktivační přísady sestávající, vztaženo na celkové množství tavidla, z 0,1 až 10 % hmotn. elementárního boru a 0,1 až 10 % hmotn. wolframu v elementární formě, jako slitiny nebo v oxidícké formě, nebo z manganu v elementární formě, jako slitiny mangan-níkl 40 nebo v oxid ické formě, pro zvýšení smáčecí schopnosti, do ta videi na bázi anorganických sloučenin boru

15 a/nebo halogenů pro pájení natvrdo obtížně smáčitelných kovových materiálů pájkami na bázi stříbra a mědi.
7. Kompozitní materiál pájky s tavidlem, vyznačující se tím, že obsahuje tavidlo podle jednoho z nároků 1 až 5.
8. Kompozitní materiál pájky s tavidlem podle nároku 7, vyznačující se tím, že je vytvořen jako prášková směs, pasta nebo suspenze a obsahuje tvrdou pájku z jemných částic.
9. Kompozitní materiál pájky s tavidlem podle nároku 7, vyznačující se tím, že je 25 vytvořen jako pájka oplášťovaná tavidlem.