RU2611626C1 - Флюс для пайки электродов аккумуляторов из свинцовых сплавов - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано при производстве свинцовых аккумуляторов, в частности для батарей резервного питания и двойного назначения. Флюс содержит бромистоводородную кислоту, моноэтаноламин, изопропиловый спирт, N-Метил-2-пирролидон и адипиновую кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.%: N-Метил-2-пирролидон 35-54, изопропиловый спирт 5-9, адипиновая кислота 15-30, бромистоводородная кислота 40%-ная 10-25, моноэтаноламин 3-10. За счет оптимально подобранного качественного и количественного содержания активаторов и растворителей флюс обладает низкой летучестью и экологичностью в сочетании с высокими экономическими показателями расхода компонентов на производство единицы аккумуляторной продукции. Отсутствие на поверхности коррозионно-активных продуктов взаимодействия флюса с окислами исключает необходимость применения дополнительных процедур промывки паяных конструкций и соответственно загрязнения сточных вод. 2 табл.

Description

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве свинцовых аккумуляторов.

Известен флюс для пайки электротехнических изделий, содержащий бромистоводородную кислоту, растворитель, характеризующийся тем, что для пайки свинцовых аккумуляторов он дополнительно содержит 30-40%-ный водный раствор гидразингидрата, поверхностно-активное вещество, а в качестве растворителя дистиллированную воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: 30-40%-ный водный раствор гидразин-гидрата 17,63-19,77, бромистоводородную кислоту 20,75-23,5, поверхностно-активное вещество (ПАВ) 0,17-0,2, дистиллированную воду - остальное (заявка № 94038408/08, 11.10.1994, патент RU 2069135 С1, опубл. 20.11.199б). Флюс используется в электротехнической промышленности при производстве свинцовых аккумуляторов.

Недостатками известного флюса являются неоднородность объемной структуры флюса и значительная летучесть растворяющих компонентов состава при рабочей температуре процесса пайки и, как следствие, ухудшение снятия окисных пленок с паяемого изделия и коррозионное разрушение покрытой концентратом флюса поверхности «ушка» несущего токовода перед его погружением в расплавленный свинцово-сурьмянистый сплав и в процессе его охлаждения. Кроме того, в нижней части поверхности «ушка» в процессе пайки образуются оксиды и загрязнения, приводящие к снижению локальной плотности паяемого слоя и прочности паяемого соединения в целом.

Другим недостатком известного флюса является присутствие в рецептуре флюса воды, способствующей разбрызгиванию расплавленного металла припоя и образованию всевозможных раковин в теле токоведущего «мостика» блока пластин. Для устранения данного эффекта возникает необходимость использования дополнительной технологической операции принудительного обдува «ушка» несущего токовода горячим воздухом, что приводит к усложнению и удорожанию процесса. По этой причине после удаления из ванны «ушка» несущего токовода и сушки его поверхности преимущественно в нижней части поверхности «ушка» остаются оксиды и загрязнения, приводящие к снижению локальной плотности паяемого слоя и прочности паяемого соединения в целом.

Известен также флюс для пайки электродов аккумуляторов из свинцовых сплавов, содержащий бромистоводородную кислоту, характеризующийся тем, что он дополнительно содержит моноэтаноламин, изобутиловый спирт, изопропиловый спирт и ортофосфорную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Моноэтаноламин	1,0-6,0
Бромистоводородная кислота 40%-ная	10,0-20,0
Изобутиловый спирт	20,0-30,0
Изопропиловый спирт	40,0-60,0
Ортофосфорная кислота	1,0-5,0

(патент RU 2520871, опубл. 27.06.2014, заявка №2012142856/02, 08.01.2012, опубл. 20.04.2014).

По совокупности существенных признаков и достигаемому результату принимаем техническое решение по патенту 2520871 за прототип.

Недостатками прототипа являются повышенная летучесть рецептуры, связанная с присутствием в ее составе больших количеств 40,0-60,0% изопропилового спирта в качестве растворителя с низкой температурой кипения и, как следствие, едкий органический запах флюса. Повышенная летучесть рецептуры обусловливает большой расход флюса в процессе производства пайки и высокую себестоимость продукта.

Кроме того, при подобной летучести рецептуры неизбежным является проявление ее избыточной кислотности и значительных коррозионных свойств флюса.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в уменьшении летучести рецептуры за счет введения химически стабильных растворителей без запаха с более высокими температурами кипения и универсальной растворимостью.

Получен флюс с высокими флюсующими свойствами и низкой коррозионной активностью, предназначенный для пайки электродов (пластин) с отливкой перемычек в расплавленном свинцово-сурьмянистом сплаве. Этот флюс может использоваться без ограничений при производстве свинцовых аккумуляторов в технологии пайки ушек электродов в мостики блоков, по технологии COS (Cast-on-Strap - технология литья перемычек) и при любом составе свинцовых сплавов. Особенно рекомендуется для производства батарей резервного питания, EFB (Enhanced Flooded Battery - усовершенствованная батарея с жидким электролитом) и двойного назначения, для исключения заражения электролита компонентами флюса и снижения скорости саморазряда.

Технический результат достигается решением задачи по созданию флюса для пайки электродов аккумуляторов из свинцовых сплавов, содержащего бромистоводородную кислоту, моноэтаноламин, изопропиловый спирт, характеризующегося тем, что он дополнительно содержит N-Метил-2-пирролидон и адипиновую кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.%:

N-Метил-2-пирролидон	35-54
Изопропиловый спирт	5-9
Адипиновая кислота	15-30
Бромистоводородная кислота 40%-ная	10-25
Моноэтаноламин	3-10

При создании предлагаемой выше рецептуры технический результат был достигнут за счет введения в состав компонентов, уменьшающих летучесть рецептуры и улучшающих ее флюсующие свойства.

Как известно, устойчивость процесса пайки обеспечивается активаторами - компонентами флюсов. Галогенсодержащий активатор рецептуры прототипа - бромистоводородная кислота, оказывая неоспоримо сильное флюсующее воздействие, при этом является сильным коррозионным агентом. Совместно с моноэтаноламином она образует гидробромидмоноэтаноламин - высокоактивную галоидную соль.

Введение в состав флюса дополнительного активатора - органической линейной дикарбоновой кислоты - адипиновой - призвано снизить коррозионную агрессивность композиции, при этом не только без ухудшения ее флюсующих свойств, а с получением эффекта их аддитивности. Органические соединения во флюсе хороши тем, что при взаимодействии с окислами металлов образуют комплексные соединения, способствуя лучшей очистке поверхности и растеканию припоя, а их избыток, не провзаимодействовавший с поверхностью металла, сгорает. Продуктами горения и разложения являются углекислый газ, азот и пары воды.

Адипиновая кислота в рецептуре заменила ортофосфорную кислоту прототипа, присутствие которой в составе новых компонентов по сравнению с прототипом способствовало обильному образованию поверхностных и внутренних пор в результате газообразования при испарении.

Дополнительный компонент рецептуры – метилпироллидон - использован в качестве растворителя, имеющего достаточно низкую температуру замерзания, а температура его кипения является оптимальной в верхней границе пайки, когда происходит разложение, как правило, уже всех активных компонентов флюса и до этого момента осуществляется эффективная защита зоны пайки от вторичного окисления и обеспечивается минимальный расход композиции. Использование метилпирролидона в этом качестве, по данным литературных источников и патентных материалов открытого доступа, неизвестно. Содержание метилпирролидона в смеси со вторым растворителем - изопропиловым спиртом, используемым для улучшения капиллярного смачивания, варьировалось в различных диапазонах для создания композиции с максимально однородной структурой. Содержание смеси растворителей в композиции в диапазоне 40-63% было выбрано по аналогии с содержанием растворителя изопропилового спирта в прототипе. При этом установленное предпочтительное соотношение первого и второго растворителей 7:1. Нижняя граница содержания метилпирролидона, составляющая 35 мас. %, соответствует переходу флюса в неоднородное состояние, верхняя граница, равная 54 мас.%, определяет минимально необходимую активность флюса.

Использование изопропилового спирта в количестве 5,0-9,0% стабилизирует объемную однородность флюса, способствуя лучшему поглощению и очистке поверхности «ушка» несущего токовода пластины от загрязнений и оксидной пленки. При содержании изопропилового спирта во флюсе меньше 5,0% флюс становится избыточно вязким, теряет свойства капиллярной смачиваемости и приобретает свойства неравномерного растекания по поверхности флюсуемого материала. Содержание изопропилового спирта во флюсе больше 9,0% нецелесообразно, так как дальнейшее увеличение концентрации этого компонента не улучшает однородность объемной структуры флюса, а только увеличивает испаряемость рецептуры и ведет к повышенному расходу материала.

Диапазоны содержания адипиновой кислоты с учетом изученных свойств ее растворимости в смеси метилпирролидон-изопропиловый спирт и сохранения стабильных свойств в рабочем диапазоне температур составляют 15-30 мас.%. При содержании адипиновой кислоты в рецептуре более 30% образуются ее насыщенные растворы и возможна нежелательная кристаллизация при низких температурах, усложняющая работу оборудования, а содержание ее во флюсе меньше 15,0% нецелесообразно, так как это неприемлемо ухудшает флюсующие свойства композиции, а их усиление в рецептуре за счет галоидного активатора нежелательно по причине его повышенной коррозионной агрессивности.

Предпочтительное содержание бромистоводородной кислоты во флюсе определяется содержанием адипиновой и составляет соотношение 1:1,5, что соответствует в процентном выражении 10-25 мас.%. Моноэтаноламин в рецептуре является средним однокислотным основанием, а его содержание определяется стехиометрией реакции нейтрализации с кислотами-активаторами и устанавливается экспериментально на заключительном этапе приготовления путем доведения рН композиции до 3-3,5 ед. рН. В процентном выражении содержание моноэтаноламина в рецептуре соответствует 3-10 мас.%.

Предлагаемый флюс характеризуется следующими значениями показателей при н.у.: плотность - 0,90-1,20 г/см³, кинематическая вязкость - 10-30 м²/с; цветность - от светло-желтого до бесцветного; рН - 3,0-3,5.

В формулу этого флюса входят чистые органические вещества, которые при рабочих температурах пайки полностью разлагаются и улетучиваются. После сварки почти не остается никаких остаточных солей и соединений, способных вызвать местную коррозию при хранении незалитых аккумуляторов, при попадании которых в сернокислотный электролит аккумулятора возможно появление дополнительного ускоренного саморазряда. Его использование, при соблюдении простейших мер обращения, не связано с какими-либо дополнительными ограничениями.

Технические решения, совпадающие с существенными признаками изобретения, не выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна».

Заявляемые существенные признаки изобретения, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».

Технический результат изобретения достигается в результате того, что в качестве активатора флюса применена адипиновая кислота, обеспечивающая высокую активность, а в качестве растворителя кислоты использован метилпирролидон, способствующий полному ее растворению и образованию однородной и устойчивой к расслоению смеси. Использование в рецептуре этого высококипящего растворителя позволило значительно снизить летучесть рецептуры и соответственно снизить себестоимость продукции за счет уменьшения расхода флюсующего материала.

Поскольку заявляемое изобретение обеспечивает технический результат, приводящий к повышению прочности пайки «ушка» несущего токовода пластины и токоведущего «мостика» свинцового аккумулятора и экономичности процесса пайки в целом за счет снижения локальной коррозии паяного соединения и уменьшения расхода флюса, то можно сделать вывод, что изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».

Подтверждение возможности осуществления заявляемого изобретения изложены в нижеследующем подробном описании примера использования флюса при производстве свинцовых аккумуляторов.

Пример приготовления 1 кг флюса.

В емкость, содержащую 500 г метилпирролидона марки «Ч», добавляют при перемешивании 50 г изопропилового спирта марки «Ч». К смеси добавляют навеску 150 г адипиновой кислоты марки «Ч» и перемешивают при комнатной температуре до полного растворения кристаллов кислоты. В полученный раствор добавляют 250 г раствора 40%-ной бромистоводородной кислоты марки «Ч». При этом происходит изменение цвета композиции с полностью бесцветного до соломенно-желтого. Состав перемешивают и охлаждают до температуры около 30°C. На последнем этапе приготовления полученную смесь нейтрализуют моноэтаноламином марки «Ч». Процесс ведут при непрерывном помешивании до обесцвечивания раствора и изменения рН до 3,0-3,5 ед., осторожно приливая моноэтаноламин вблизи точки эквивалентности, соответствующей окончанию реакции нейтрализации. Точное количество моноэтаноламина устанавливается экспериментально, с учетом степени чистоты и плотности исходных реагентов. Взвешивание реагентов проводят на весах с погрешностью не более 0,1 г, при необходимости весовые количества переводят в объемные с учетом плотности применяемых исходных веществ.

В таблице 1 представлены 4 состава флюса в пределах заявленных соотношений компонентов, и два (5, 6) приготовленные за пределами заявленных соотношений компонентов, а также дана оценка основных характеристик флюса согласно разработанной системе балльных оценок по выбранным критериям качества.

Оценка качества составов флюса проводилась с использованием интегрированного коэффициента, по четырем критериям оценки, приведенным в таблице 2. Чем выше результат, тем выше значение коэффициента по каждому критерию. Итоговый коэффициент определяли как произведение промежуточных коэффициентов.

Все исследования проводили в условиях аккредитованной производственной лаборатории ЗАО «АКОМ».

Методика оценки флюса по первому критерию основана на проверке возможности флюса обеспечивать качество пайки в линии автомата COS при пайке ушек электродов в мостики блоков в условиях, максимально приближенных к производственным. Отличие состояло только в том, что флюс на ушки пластин наносился вручную с помощью щетки, далее запускался стандартный производственный автоматический цикл пайки.

Оценка качества проверялась как по внешнему виду мостика и менисков, загрязнению места пайки, наличию выходящих на поверхность пор, так и на разлом. На разломе определялось количество и размер пор, их расположение, торцевая коррозия ушка электрода и усилие на разлом по месту пайки. Суммарный результат оценивался по коэффициентам первого критерия как произведение промежуточных.

Тест на замораживание флюса проводили для оценки условий хранения флюса при транспортировке. Известно, что в холодное время года флюс имеет свойство кристаллизоваться, а кристаллы не расходятся даже при достижении температуры нормальных условий, или происходит стратификация плотности флюса по высоте емкости, что серьезно влияет на конечные результаты работы с таким флюсом.

Тесты оценки коррозии проводили при нормальных климатических условиях посредством воздействия рецептур флюса на стальные образцы в течение 1 суток с последующей оценкой площади поверхности образца, подвергшейся коррозии.

Испаряемость или расход флюса при 60°C (средняя температура, при которой флюс находится в лотках со щетками) оценивали по истечении суток. Этот важный технико-экономический показатель свидетельствует о способности флюса сохранять свой компонентный состав при рабочих температурах процесса производства.

На основании данных таблицы 1 можно утверждать, что по сравнению с прототипом предлагаемый флюс обладает пониженным расходом и коррозионной активностью при хорошей флюсующей способности, обусловленной оптимальным качественным и количественным содержанием активаторов и растворителей.

Полученная рецептура за счет низкой летучести обладает оптимальными экологическими параметрами в сочетании с высокими экономическими показателями расхода компонентов на производство единицы аккумуляторной продукции.

Экономический эффект изобретения также проявляется в снижении коррозионной агрессивности флюса, способной влиять на работоспособность оборудования и ускорять его износ. Отсутствие на поверхности коррозионно-активных продуктов взаимодействия флюса с окислами кроме того исключает необходимость применения дополнительных процедур промывки паяных конструкций и соответственно загрязнения сточных вод, что также характеризует экологичность рецептуры.

Claims (2)

1. Флюс для пайки электродов аккумуляторов из свинцовых сплавов, содержащий бромистоводородную кислоту, моноэтаноламин, изопропиловый спирт, отличающийся тем, что он дополнительно содержит N-Метил-2-пирролидон и адипиновую кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.%:
2. N-Метил-2-пирролидон 35-54 Изопропиловый спирт 5-9 Адипиновая кислота 15-30 Бромистоводородная кислота 40%-ная 10-25 Моноэтаноламин 3-10