Wróć

Wszystko - a przynajmniej bardzo dużo - na temat dodatku fosforu w stopach bezołowiowych

Autorzy artykułu nie wróżą dla fosforu wielkiej kariery w stopach lutowniczych - jest on odpowiedzialny za erozję tygli, utrudnia krzepnięcie spoiw z zawartością miedzi i zwiększa ilość powstająctych zgarów nawet o 60%.
Opublikowano: 2021-10-11

Fosfor od dawna jest ‘tajnym składnikiem’ stopów cynowo-ołowiowych, zwłaszcza lutów wykonanych z metalu pochodzącego z recyklingu. Fosfor jest silnym odtleniaczem, który usuwa żużel i nadaje połysk powierzchni stopionego lutowia. Wraz ze zmianą na lutowia bezołowiowe o wysokiej zawartości srebra, które mają silną tendencję do utleniania się i generowania dużych ilości zgarów, fosfor stał się szeroko stosowanym, ale rzadko wymienianym składnikiem stopu.

Erozja tygli lutowniczych, która zmusiła producentów do ulepszania materiałów wykorzystywanych do budowy maszyn do lutowania na fali, jest przede wszystkim wynikiem obecności fosforu o stężeniu 100 ppm, powszechnie zawartego w składzie stopów SAC. Obecnie, gdy producenci lutów starają się promować luty o niskiej lub nawet zerowej zawartości Ag, obecność lub brak fosforu i innych przeciwutleniaczy, które mają mniej szkodliwe skutki uboczne, stała się kwestią kontrowersyjną. W artykule ‘The Effects of Phosphorus in Lead-Free Solders’ autorzy przedstawili serię eksperymentów, które zostały podjęte w celu określenia wpływu dodatków fosforu na zachowanie się i właściwości szeroko stosowanego lutu bezołowiowego.

Kontrola ilości zgarów

Cyna jest najbardziej podatnym na utlenianie składnikiem lutów bezołowiowych i stanowi też podstawowy ich składnik: luty bezołowiowe zawierają co najmniej 95% cyny w porównaniu z 63% dla lutowia ołowiowego. Utlenianie się lutowia, szczególnie w połączeniu z turbulencjami związanymi z działaniem fali lutowniczej, powoduje powstawanie zgarów, który jest szlamową mieszaniną nieutlenionego lutowia uwięzionego w sieci tlenków. Żużel ten zakłóca wydajną pracę maszyny do lutowania na fali i musi być okresowo usuwany. Zgary można przetwarzać, a zawartość metalu odzyskiwać i poddawać recyklingowi, ale wytwarzanie się  żużlu powoduje utratę drogiego lutowia i zwiększa koszty eksploatacji linii, więc jej wytwarzanie należy ograniczyć do minimum. Fosfor jest silnym przeciwutleniaczem, który był szeroko stosowany do kontroli ilości powstającego żużlu w lutach cynowo-ołowiowych i stał się powszechnym składnikiem lutów bezołowiowych, takich jak szeroko stosowany stop Sn-3,0Ag-0,5Cu, czyli SAC305.

Przykład erozji końcówki robota lutującego w wyniku reakcji z fosforem

Źródło: 'The Effects of Phosphorus in Lead-free Solders' autorstwa Keith Sweatman, Takatoshi Nishimura oraz Takuro Fukami z firmy Nihon Superior Co., Ltd, Osaka, Japonia.

Erozja narzędzi lutowniczych

Oprócz tego, że fosfor jest silnym przeciwutleniaczem, może on również rozkładać warstwę tlenków, która nadaje stali nierdzewnej odporność na zwilżanie przez stopione lutowie.  Po przeniknięciu przez ochronną warstwę tlenku, roztopiony lut zwilża leżący pod spodem stop Fe-Cr-Ni, który następnie zaczyna się rozpuszczać w lutowiu. Konsekwencją tego jest erozja części wystawionych na działanie stopionego lutowia, a nawet perforacja ścianek naczynia lutowniczego, co skutkuje wyciekiem stopionego lutowia i stwarza poważne problemy związane ze zdrowiem i bezpieczeństwem, a także powoduje uszkodzenie maszyny.

Jednym z rozwiązań problemu erozji maszyny spowodowanej obecnością fosforu, dodanego celem kontroli ilości powstających zgarów, jest wykonywanie tygli lutowniczego z żeliwa, które jest bardziej odporne na rozpuszczanie lub wykończenia jego powierzchni tytanem. Pompy i dysze zostały uodpornione na zwilżanie i erozję poprzez nałożenie powłok ceramicznych lub wykończenie wierzchniej warstwy azotkami metali, które są znacznie bardziej odporne na zwilżanie i rozpuszczanie. Jednak zabiegi te zwiększają znacznie koszty sprzętu do lutowania na fali.

Innym podejściem jest zastosowanie jako przeciwutleniacza germanu, który nie atakuje ochronnej warstwy tlenków na stali nierdzewnej, a jest co najmniej tak samo skuteczny jak fosfor jeśli chodzi o kontrolę powstawania żużla w tyglu: już obecnie szeroko stosuje się stop lutowniczy, w którym antyutleniaczem jest german (Sn-0,7Cu-0,05Ni+<0,01Ge).

Wpływ na płynność lutu

Kolejną kwestią związaną z dodatkiem fosforu jest obecność w lutach bezołowiowy mikrostopowego dodatku niklu. Stwierdzono, że dodatek niklu na poziomie około 0,05% ma bardzo silny wpływ na zachowanie stopu Sn-O.7Cu o nominalnym składzie eutektycznym. Niemodyfikowany stop Sn0.7Cu krzepnie w dwóch etapach: najpierw rosną i krzepną dendryty cyny, a eutektyczny stop Sn-Cu6Sn5 ostatecznie zastyga w przestrzeniach między dendrytami. To dwuetapowe krzepnięcie skutkuje matową, popękaną powierzchnią stopu. Gładka i jasna powierzchnia stopu Sn0,7Cu-0,05Ni w tych samych warunkach wskazuje, że dwustopniowe krzepnięcie zostało zastąpione jednostopniowym krzepnięciem pseudoeutektycznym, co oznacza, że ​​w procesach lutowania stop zachowuje się bardziej jak eutektyczny Sn -37Pb.

Stwierdzono jednak, że po dodaniu fosforu do Sn0,7Cu-0,05Ni nowy dodatek reaguje z niklem, tworząc fosforek niklu. Związany w ten sposób nikiel nie wspomaga już procesu krzepnięcia pseudoeutektycznego, co w konsekwencji ma negatywny wpływ na płynność lutu - po dodaniu fosforu mikrostruktura Sn-0,7Cu-0,05Ni wskazuje na powrót do dwóch etapów krzepnięcia, charakterystycznych dla podstawowego stopu Sn-0,7Cu.

Autorzy omawianego artykułu przeprowadzili złożony eksperyment, mający na celu zbadanie 4 korelacji:

  • Wpływ dodatków fosforu na rozpuszczalność miedzi
  • Wpływ dodatków fosforu na zwilżanie podłoży miedzianych
  • Wpływ dodatków fosforu do lutowia na erozję końcówek narzędzi lutowniczych
  • Wpływ dodatków fosforu na luty, w których ilość powstających zgarów jest już kontrolowane przez dodatek germanu

Szczegółowy opis eksperymentu można odnaleźć w oryginale tekstu, dostępnym pod tym linkiem. Pomijając opis samych testów oraz szczegółowy sposób analizy pozyskanych danych, chcielibyśmy jedynie przytoczyć wnioski, do jakich poprze prowadzeniu prób doszedł zespół naukowców.

  • Fosfor nie powinien być stosowany jako dodatek stopowy w lutach bezołowiowych, szczególnie tych, w których wykorzystuje się nikiel do wspomagania krzepnięcia eutektycznego.
  • Dodatki fosforu do lutów bezołowiowych sprzyjają zwilżaniu i w konsekwencji erozji części maszyn lutujących, wykonanych ze stali nierdzewnej, takich jak tygle czy końcówki narzędzi lutowniczych.
  • Dodany do lutów cynowo-miedziowo-niklowych fosfor reaguje z niklem, zmniejszając jego korzystny wpływ na płynność lutu i stabilność Cu6Sn5.
  • Zwilżanie miedzi jest spowolnione.
  • Zwiększa się tempo produkcji żużlu w stopach cynowo-miedziowo-niklowych, które zawierają już german jako przeciwutleniacz. Zamiast pracować synergicznie z germanem w celu osiągnięcia jeszcze mniejszych ilości zgarów, fosfor wydaje się działać jako przyspieszacz tego niepożądanego procesu, przy czym tempo produkcji zgarów wzrosło o ponad 60%. German jest skutecznym przeciwutleniaczem, który nie powoduje szkodliwych skutków ubocznych, które z kolei występują, gdy jako dodatek stopowy do kontroli utleniania stosowany jest fosfor.

Artykuł oparto na pracy 'The Effects of Phosphorus in Lead-free Solders' autorstwa Keith Sweatman, Takatoshi Nishimura oraz Takuro Fukami z firmy Nihon Superior Co., Ltd, Osaka, Japonia.

Zdjęcie tytułowe: © 3E

https://amtest-group.com/pl/
https://amtest-group.com/pl/