NL8001970A - Soldeersamenstelling. - Google Patents

Description

-1- 21270/Vk/mv ·«

Aanvrager: Johnson, Matthey & Co., Limited, Londen, Engeland.

Korte aanduiding: Soldeersamenstelling.

De uitvinding heeft betrekking op een soldeersamenstelling 5 die vast is bij kamertemperatuur. Met name heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het aan elkaar hechten van metallische voorwerpen door deze te solderen onder toepassing van de soldeersamenstelling volgens de uitvinding.

Solderen is een algemeen toegepaste werkwijze voor het aan 10 elkaar doen hechten van metallische delen bij welke werkwijze een legering met een lager smeltpunt dan van de delen die aan elkaar gehecht moeten worden wordt gebruikt, welke samenstelling hierna wordt aangegeven als een soldeerlegering of als vulmetaal, welk materiaal gesmolten wordt en tot vloeien wordt gebracht al of niet onder invloed van de capillaire 15 werking tussen de oppervlakken die aan elkaar gehecht moeten worden van de metallische onderdelen. De metallische onderdelen smelten hierbij niet maar worden bij elkaar gebracht wanneer de soldeerlegering stolt en deze delen kunnen daarna niet van elkaar worden gescheiden door ze te verwarmen op een vergelijkbare temperatuur. Met name smelten soldeerlegeringen bij een 20 temperatuur in het gebied van 200-300 °C.

Bij soldeerbewerkingen is een flux vereist om tijdens het verwarmen oxydatie van het vulmateriaal en van de oppervlakken van de metallische onderdelen die tegen elkaar gebracht worden te remmen en om de oppervlakken van oxyde of reeds aanwezig oppervlakte materiaal te •25 zuiveren. Het flux materiaal moet echter ook in staat zijn om te vloeien bij een temperatuur beneden het smeltpunt van de soldeerlegering, moet de oppervlakken van de metallische delen bevochtigen, moet het bevochtigen van de metallische delen vergemakkelijken door het doen smelten van de soldeer-legering en moet in staat zijn oti een makkelijke verplaatsing te bewerk-30 stelligen door de gesmolten soldeerlegering.

Het is een algemeen toegepaste praktijk bij soldeerbewerkingen om het flux materiaal met behulp van een borstel aan te brengen op de oppervlakken die aan elkaar gemaakt moeten worden, voordat de soldeerlegering wordt aangebracht en verhit, hoewel ook andere methoden zoals onder-35 dompelen en sproeien zijn toegepast of er wordt een soldeerlegering gebruikt waarbij de flux aanwezig.is in de vorm van een draad.

Anderzijds zijn soldeerpasta’s ontwikkeld die in hoofdzaak bestaan uit een mengsel van een bepaalde soldeerlegering, flux en een 800 1 9 70 -2- 21270/Vk/mv

J

waterige of organische draagstof of verdunningsraiddel. De pasta wordt in hoofdzaak aangebracht op de oppervlakken die aan elkaar bevestigd moeten worden en dat gebied wordt vervolgens verhit om de draagstof over het opper-' vlak te verdelen en te verdampen en de fluxbewerking en het solderen te 5 bewerkstelligen, hetgeen bij de praktische toepassing nagenoeg een bewerking is. Een dergelijke soldeerpasta heeft echter een belangrijk nadeel, namelijk dat deze moeilijk is te bewaren en dit is met name het geval wanneeer de fluxhvgroscopisch is en de neiging heeft om atmosferisch vocht te absorberen. Het slecht bewaren kan ook te wijten zijn aan een of meer 10 andere redenen , met name een geleidelijke vermindering van de flux-activi-teit door de chemische reactie tussen de flux en het draagmiddel en ook tussen de flux en de soldeerlegering in het vloeibare medium, verlies aan draagstof door verdampen en het bezinken van de deeltjesvormige soldeerlegering. Verder is het moeilijk gebleken om een soldeerpastasamenstelling 15 te vinden die voldoende stijf is en niet stroorabaar zodat de neerslagvorming wordt geminimaliseerd en het mengsel op zijn plaats blijft wanneer het eenmaal is aangebracht op de oppervlakken die aan elkaar gebracht moeten worden, voordat het solderen plaats heeft en toch voldoende goed vloeit om op deze opppervlakken te worden aangebracht. De soldeerpasta’s hebben ook 20 de neiging om temperatuurgevoelig te zijn met betrekking tot de toepassings-eigenschappen. Zo kan het bij voorbeeld moeilijk zijn om de gewenste hoeveelheid en7of de legering aan te brengen waarbij de flux verhouding moeilijk kan zijn te regelen.

Messing is een ander algemeen toegepast metaal dat gebruikt 25 wordt can bepaalde voorwerpen met elkaar te verbinden, waarbij het wezenlijke verschil tussen solderen en het solderen met behulp van messing gelegen is in het feit dat het solderen met messing wordt uitgevoerd bij temperaturen die voldoende hoog zijn om de koolstofhoudende resten uit de messingsamenstelling te verdampen en/of weg te branden. Het gewone solderen 30 anderzijds wordt uitgevoerd bij een lage temperatuur en de resten blijven op het werkstuk achter tenzij, of totdat, ze worden verwijderd bij een afzonderlijke behandeling. Voor de meeste doelstellingen kunnen resten getolereerd worden«zonder dat deze moeten worden verwijderd, hoewel het voor het uiterlijk de voorkeur verdient om deze resten te verwijderen.

35 Resten die in water oplosbaar zijn of met water dispergeerbaar zijn makkelijk te verwijderen. Resten die echter alleen of slechts ten dele in water oplosbaar zijn kunnen echter problemen veroorzaken met betrekking tot de corrosie en/of het aangroeien van micro-organismen zoals algen en bacteriën.

8001970

V

-3- 21270/Vk/rat *

Hieruit volgt dat wanneer het solderen wordt toegepast om verbindingen te bewerkstelligen voor pijpleidingen voor het toevoeren van drinkwater de soldeerresten nagenoeg volledig in water oplosbaar of in water dispergeer-baar moeten zijn.

5 Een van de doelstellingen volgens de uitvinding is het ver krijgen van een soldeersamenstelling die enkele of alle bovenvermelde nadelen met betrekking tot het slecht bewaren en de toepassingseigenschappen van de soldeerpasta overwint en die een rest achterlaat op het werkstuk die nagenoeg volledig in water oplosbaar is of nagenoeg volledig in water on-10 oplosbaar is.

Een en ander kan worden bewerkstelligd met een soldeersamenstelling volgens de uitvinding en deze wordt hierdoor gekenmerkt, dat deze bestaat uit een deeltjesvormige soldeerlegering of metaal of oxydehoudende precursor hiervan,gedispergeerd in een thermoplastisch materiaal.

15 Bij voorkeur omvat een soldeersamenstelling volgens de uit vinding een of meer fluxen. De flux kan aanwezig zijn in de vorm van een poeder of het kan een materiaal zijn zoals rosin, dat zelf de vereiste thermoplastische eigenschappen bezit.

Bij voorkeur bevatten de soldeersamenstellingen volgens 20 de uitvinding 50-98 gew.% soldeerlegering en de rest is een flux en/of een thermoplastisch materiaal en meer in het bijzonder 75—95 gew.% soldeerlegering en de rest flux en/of thermoplastisch materiaal.

Als voorbeeld voor een soldeerlegering volgens de uitvinding kan genoemd worden een samenstelling die naast onderzuiverheden 90 gew.% 25 soldeerlegering en 10 gew.% flux en/of thermoplastisch materiaal bevat. Gewoonlijk is het thermoplastische materiaal aanwezig in de vaste fase bij omgevingstemperatuur en smelt beneden ongeveer 150 °C. Bij voorkeur smelt . het thermoplastisch materiaal bij een temperatuur van 40 °C - 100 °C.

Het thermoplastisch materiaal kan in het algemeen een was-30 achtige component bevatten , eventueel een harsachtige component. De was dient ter verkrijging van goede bewaareigenschappen en de harsconponent dient om een bepaalde viscositeit te bewerkstelligen nadat het mengsel is verwarmd.

Wassen die toegepast kunnen worden bij de soldeersamenstel-35 ling volgens de uitvinding kunnen gekozen worden uit zowel natuurlijke al synthetische wassoorten. Voorbeelden van natuurlijke wassen zijn spermaceti, bijenwas en stearinezuur (dierlijke wassoorten), carnauba, bayberry en candellilawassoorten (plantaardige wassoorten) en montan, 800 1 9 70 ·/ -4- 21270/Vk/mv ceresine en paraffinewasssorten (minerale wassoorten).

Dierlijke en plantaardige wassoorten zijn in het algemeen vetzure esters van hogere eenwaardige alkoholen. Voorbeelden van synthetische wassoorten zijn polyethyleen en polyethyleenglycolwassoorten (zoals 5 Carbowax, hetgeen een geregistreerd merk is) en microkristallijne was.

Bij voorkeur wordt een inert (niet fluxerend) thermoplastisch materiaal, polyethyleenglycol, alkoxyleerd carbonzuür zoals ethoxyleerd stearine -zuur, of gealkoxyleerde cholesterol carbonzure ester (bij voorbëeld geëthoxyleerde lanoline) toegepast die alle in water oplosbaar of in water 10 dispergeerbaar zijn , of een paraffinehoudende was of cholesterolcarbonzuur (zoals lanoline), welke stof in water onoplosbaar is. Als thermoplastisch mayeriaal met een flux-activiteit wordt bij voorkeur rosin gebruikt, hetgeen een terpenoide carbonzuur is zoals abiëtine^uur een verzadigd car-bonzuur met een koolstofketen van 10-20 koolstofatomen, zoals laurinezuur, 15 myristinezuur, palmitinezuur en stearinezuur of een hydroxy-carbonzuur zoals citroenzuur of wijnsteenzuur en de flux-activiteit van deze stoffen kan eventueel verbeterd worden door het toevoegen van materialen met een sterkere flux-activiteit.

De harsen die toegepast worden bij de soldeersamenstellingen ' 20 volgens de uitvinding kunnen worden gekozen uit een aantal natuurlijte en synthetische harsen. Natuurlijke harsen zijn vaste of halfzachte visceuze materialen die meestal verkregen zijn uit afscheidingsproducten van bepaalde planten en bomen. Voorbeelden hiervan zijn colophoon, cellulose-harsen, natuurlijke rubber, dennenteer, pek en Canadese balsem. Synthe-25 tische harsen zijn amorfe, organische , halfzachte of vaste materialen die verkregen zijn door het bewerkstelligen van een polymerisatie. Voorbeelden zijn polypropyleen, polyethyleen, polymethacrylaat, polyisopreen, polyisobutyleen en polystyreen. Deze harsen zijn thermoplastisch.

Flux verbeterende stoffen die kunnen worden toegevoegd aan 30 het hars zijn hydrazinehydrochloride, glutaminezuurhydrochloride en anilinehydro-chloride en deze kunnen worden toegevoegd in een concentratie van 1-50 gew.%, berekend op het hars (rosin) , bij voorkeur 5-20 gew. %, met name 10 % in afhankelijkheid van het gewenste niveau van de flux-activiteit. Materialen die toe.gevoegd kunnen worden aan andere thermoplastische 35 fluxstoffen om de flux-activiteit te verbeteren of die toegevoegd kunnen worden aan inerte thermoplastische stoffen om de flux-activiteit te verbeteren omvatten een hydrazinehydroxyde en haliden, die normaal ontleden bij verwarmen zodat waterstofhalide wordt vrijgemaakt, waardoor de flux- 8001970 .

* V·.

-5- 21270/Vk/mv activiteit en de soldeeromstandigheden worden beïnvloed, met name het chloride, bromide of jodide van zink, een zinkchloride/ammoniumchloride eutectisch mengsel , het chloride, bromide,of jodide van ammpnium en tinhalide met name tinchloride en deze kunnen worden toegevoegd in een hoe-5 veelheid van 1-50 gew.%, bij voorkeur 5-20 gew.%, met name 10% gebaseerd op de thermoplastische stof.

Het is van voordeel gebleken ten einde de dispersiegraad te verbeteren van de soldeerlegering in de flux en/of het thermoplastische materiaal om de soldeersamenstellingen volgens de uitvinding isamen te stellen 10 onder toepassing van een mengsel van metaaloxydedeeltjes in plaats van metaal-deeltjes of legeringsdeeltjes. De oxyden worden gereduceerd tot de metalen en vormen dan de soldeerlegering bij soldeertemperaturen of ze worden gereduceerd tot de metalen bij omgevingstemperatuur onder toepassing van de reducerende flux met name hydrazinehydrochloride.

15 Het is ook gebleken dat de deeltjesgrootte van de soldeer legering moet worden ingesteld voor optimale soldeerbewerkingen , ten opzichte van de optimale bewaareigenschappen.Deze eisen kunnen met elkaar in tegenstelling zijn. In een ideale soldeersamenstelling is een hoge concentratie van kleine deeltjes van de soldeerlegering gewenst , om een goede 20 bewaartijd te bewerkstelligen, maar dergelijke deeltjes brengen een groot oppervlak met zich mee met betrekking tot de soldeerlegering, hetgeen een relatief grote hoeveelheid flux noodzakelijk maakt. Daarom is de voor -keur uitgesproken voor iets grotere deeltjes, hetgeen overeenkomt met een corresponderend laag oppervlak en door de speciale eigenschappen van de 25 samenstelling volgens de uitvinding , met name het gebruik van de thermoplastische stoffen , worden de vereiste bewaareigenschappen bewerkstelligd. Het is gebleken dat voor de meeste doeleinden..de deeltjes van de soldeerlegering een zeef moeten kunnen passeren van ongeveer 60 mesh (250 yöm) en deze 30 deeltjes moeten worden tegengehouden door een zeef van 400 mesh (38 pm)^ hoewel een kleine hoeveelheid deeltjes buiten dit traject ook kunnen worden 'gebruikt. De deeltjesgrootte is zodanig gekozen dat optimale stroomeigenschap-pen worden verkregen en een minimum aan open ruimte aanwezig is die gevuld moet worden met thermoplastisch materiaal. Zodoende zijn rheologische 35 problemen samenhangend met de vloeibare pasta’s vermeden. Optimale stroorn-* eigenschappen'kunnen ook worden bewerkstelligd door het kiezen van de deeltjes ··- in de -vorm van bolletjes en/of vlokken «vijzel en dergelijke.

De uitvinding kan worden toegepast op een ruim gebied van 8001970 -6- 21270/Vk/mv soldeerlegeringen, maar is natuurlijk met name van toepassing op die sol-deerlegeringen die met name in grote hoeveelheden worden toegepast bij geautomatiseerde soldeerbewerkingen. Soldeerlegeringen worden gewoonlijk gebaseerd op basis van tin of lood met toevoegingen van een of meer 5 metalen gekozen uit de groep bestaande uit Sb, Bi, Ag, Cu, Fe, Zn, Al,

Cd,en As. Een lijst van typische soldeerlegeringen kan worden gevonden in Kirk-Othmer's "Encyclopaedia of Chemical Technology',' 2e editie, band 18, bladzijde 544. In het algemeen kan echter worden gesteld dat legeringen van tin en lood goede soldeerlegeringen zijn die algemeen kunnen worden toege-10 past, waarbij vaak antimoon wordt gebruikt in plaats van lood voor het solderen van blik dat toegepast wordt voor voedsel, met een verhoogde sterkte in vergelijking met tin/lood en met een goede electrische geleidbaarheid en tin/lood/zilverlegeringen worden vaak toegepast in de electro-nische industrie voor het solderen van oppervlakken die met zilver zijn • 15 bekleed.

Een van de eigenschappen van de soldeerlegeringen volgens de uitvinding is dat oplosmiddel of verdunningsmiddel zoals, gewoonlijk toegepast bij de bekende soldeerpastsamenstellingen volledig ontbreekt en verder , zoals boven aangegeven , de thermoplastische draagstof die al· 20 of niet een intrinsieke flux-activiteit kan hebben wordt gekozen op zodanige wijze dat deze in de vaste fase verkeert bij omgevingstemperatuur en bij voorkeur smelt beneden 100 °C. Wanneer een polymeer, bijvoorbeeld polyethyleenglycol,gekozen wordt als thermoplastische stof moet de polymeri-satiegraad zodanig zijn dat deze voldoet aan de boven gestelde fasebe-25 perkingen en smeltpuntsbeperkingen.

De soldeersamenstellingen worden in het algemeen bereid door het smelten van het thermoplastische materiaal waarin wordt gedispergeerd of opgelost de flux of het flux-additief,indien dit aanwezig is , het hierin dispergeren van de legering, het metaal of oxydeprecursor hiervan en het 30 laten stollen van de verkregen samenstelling . Deze kunnen uitgegoten worden gevormd in een mal of geëxtrudeerd tot bepaalde vormen zoals ringen en dergelijke om te kunnen worden opgeslagen en daarna gebruikt , of ze kunnen worden toegepast in gesmolten of half-gesmolten toestand bij een werkstuk en tot stollen worden gebracht tijdens het opslaan en bij het daarop-35 volgende gebruik voor het samenvoegen van werkstukken door de twee werkstukken tegen elkaar te houden en ze te verwarmen in het gebied waar de samenstelling zich bevind^.Anderzijds kunnen soldeersamenstellingen volgens de uitvinding worden aangebracht op het werkstuk bij omgevings- 8001970 -7- 21270/Vk/mv temperatuur via een verwarmde toevoerorgaan£a^ °P een zodanige temperatuur wordt gehouden dat geen verdere verhitting noodzakelijk is om de soldeerlas met goed gevolg te kunnen bewerkstelligen. Samenstellingen volgens de uitvinding die een hygroscopisch of vervloeiende flux be-5 vatten zoals zinkchloride zijn stabiel tijdens het bewaren omdat de flux-deeltjes op effectieve wijze omkapseld zijn door het thermoplastische materiaal.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de volgende voorbeelden. In de voorbeelden bestaat de soldeerlegering 10 uit 60 % tin en 40 % lood , berekend op gewichtsbasis.

Voorbeeld I

Een soldeersamenstelling in hoofdzaak bestaande uit 93,5 gew.% legering en 6,5 gew.% gezuiverde rosin ("Staybelite", merknaam 15 van Hercules Powder Co. Ltd- hars) werd bereid door het smelten van rosin en het hierin dispergeren van de legering. De resten uit het solderen zijn in water nagenoeg onoplosbaar .

Voorbeeld II

Een soldeersamenstelling bestaande uit 80 gew.% legering, 20 10 gew.% ZnCl2 en 10 gew.% paraffinewas· met een smelttraject van 46-49 °C, werd bereid door het smelten van de was en het hierin dispergeren van de legering en het flux-materiaal. De resten zijn in water nagenoeg onoplosbaar.

Voorbeeld III

25 Een soldeersamenstelling werd bereid in hoofdzaak bestaande uit 91,5 gew. % legering , 2,0 gew.% NH^J en 6,5 gew.% paraffinewas (46-49 °C) , welke bereiding plaats had op ‘-dezelfde wijze als aangegeven is in vooebeeld II. De resten zijn in water nagenoeg onoplosbaar.

Voorbeeld IV

30 Een soldeersamenstelling in hoofdzaak bestaande uit 93,5 gew.% legering, 1,0 gew.% gezuiverde rosin ("Staybelite" hars) en 5,5 gew.% paraffinewas (60-62 °C) werd bereid door het smelten van de was en het hierin oplossen van de rosin en het hierin dispergeren van de legering. De resten zijn in water onoplosbaar.

35 Voorbeeld V

Een soldeersamenstelling in hoofdzaak bestaande uit 90 gew.% legering, 2 gew.% ZnCl2 en 8 gew.% polyethyleenglycol (molecuulgewicht 1000) werd bereid door door het oplossen van de flux bij een temperatuur 8001970 -8- 21270/Vk/mv boven het smeltpunt (283 °C) in de glycol en het hierin dispergeren van de legering bij een temperatuur boven 60-80 °C. Anderzijds kan het fysisch dispergeren van de flux worden bewerkstelligd bij een temperatuur beneden het smeltpunt. De resten zijn in water oplosbaar.

5 Voorbeeld VI

Een soldeersamenstelling waarvan de resten in water oplosbaar zijn, werd bereid zoals vermeld is in voorbeeld V en bestond in hoofdzaak uit 90 gew.% legering, 2 gew.% ZnCl2 en 8 gew.% geëthoxyleerd stearinezuur (Texofor - een merkaanduiding van ABM Chemicals Ltd -10 E13J.

Voorbeeld VII

Een soldeersamenstelling in hoofdzaak bestaande uit 90 gew.% legering , 1 gew.% ZnC^/NH^Cl als eutectisch mengsel en 9 gew.% poly-ethyleenglycol (molecuulgewicht 1000) werd bereid door het suspenderen 15 van het fluxmengsel bij een temperatuur boven het smeltpunt ( 180 °C) in glycol en het hierin dispergeren van de legering bij een temperatuur boven 60-80 °C. De verkregen resten zijn in water nagenoeg volledig oplosbaar.

' Voorbeeld VIII

20 Een soldeersamenstelling waarvan de resten nagenoeg volle dig in water oplosbaar zijn, werd bereid zoals aangegeven is in voorbeeld VII en bestond in hoofdzaak uit 90 gew.% legering, T gew.% ZnCl^/NH^Cl eutectisch mengsel, en 9 gew.% geëthoxyleerd stearinezuur · (Texofor E13).

25 -conclusies- 8001970

Claims (16)

1. Soldeersamenstelling die vast is bij omgevingstemperatuur, met het kenmerk, dat deze bestaat uit een deeltjesvormige soldeerlegering 5 of metaal of oxydehoudende precursor hiervan ,gedispergeerd in een thermoplastisch materiaal.

2. Soldeersamenstelling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat deze een of meer fluxcomponenten bevat.

3. Soldeersamenstelling volgens conclusie 1, met het kenmerk, 10 dat het thermoplastisch materiaal zelf een flux-activiteit heeft.

4. Soldeersamenstelling volgens conclusie 1-3, met het kenmerk, dat deze bestaat uit 50-98 gew.% legering of metaal of oxydepre-cursor hiervan.

5. Soldeersamenstelling volgens conclusie 1-3, met het ken- 15 merk, dat deze 75-95 gew.% legering of metaal of oxydeprecursor hiervan bevat.

6. Soldeersamenstelling volgens conslusie 1-3, met het kenmerk, dat deze 90 gew.% deeltjesvormige soldeerlegering , metaal of oxydeprecursor hiervan bevat en de rest thermoplastisch materiaal en/of 20 flux is.

7. Soldeersamenstelling volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de flux-component aanwezig is in de vorm van een poeder.

8. Soldeersamenstelling volgens conclusie 1-3, met het kenmerk, dat het thermoplastisch materiaal smelt bij een temperatuur tussen 25 omgevingstemperatuur en 150 °C.

9. Soldeersamenstelling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het thermoplastisch materiaal gekozen wordt uit een was behorende tot de groep van natuurlijke en synthetische wassoorten.

10. Soldeersamenstelling volgens conclusie 9, met het 30 kenmerk, dat de was gekozen kan worden uit polyethyleenglycol, paraffine-was, een geSlkoxyleerd carbonzuur of een cholesterol*carbonzure ester.

11. Soldeersamenstelling- volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het thermoplastische materiaal een harscomponent bevat.

12. Soldeersamenstelling volgens conclusie 2, met het ken- 35 merk, dat de flux-component gekozen is uit een groep bestaande uit halide van zink , tin en ammonium of hydrazinehydroxyde.

13. Soldeersamenstelling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de thermoplastische flux gekozen is uit een groep bestaande uit 8001970 « A -10- 21270/Vk/mv rosin , verzadigde carbonzuren en verzadigde hydroxy-carbonzuren.

14, Soldeersaraenstelling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de flux-activiteit wordt verbeterd door het toevoegen van een andere stof.·

15. Soldeersamenstelling volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat het andere materiaal is gekozen uit een groep bestaande uit hydrazinehydrochloride, glutaminezuurhydrochloride en anitinehydrochlo. _ ride.

16. Soldeersamenstelling volgens conclusie 1-15, met het 10 kenmerk, dat de grootte van de deeltjesvormige legering, metaal of oxyde-precursor hiervan gekozen is tussen 38 yum en 250 /um. 8001970