Materiály pájecích van pro bezolovnaté slitiny

Datum: 26.06.2017

Kategorie: Pájení vlnou - strojní pájení

Nutnost používání bezolovnatých pájek odkrylo slabá místa zařízení pro pájení vlnou. Achillovou patou je koroze nebo důlková koroze a krátká životnost některých dílů, které přicházejí do styku s roztavenou pájecí slitinou. Různí výrobci zařízení navrhli různá řešení tohoto problému, jež sahají od nicnedělání až po náhradu celé nádrže a trysky drahými materiály.

Na obrázku je typická porucha nechráněného potrubí z nerez oceli a lopatek, jimiž protéká bezolovnatá pájka. Došlo k silné erozi a důlkové erozi (lokalizované korozi) kovu a některé oblasti ztratily svoji strukturální integritu. Nejzranitelnější součásti z nerez oceli jsou ty, jež přicházejí do kontaktu s protékající pájkou (rotor čerpadla, potrubí a trysky).

Základní konstrukce pájecí van

Používané materiály pomáhající zabránit degradaci a korozi bezolovnatou pájecí slitinou jsou různé.

Některé oblíbené materiály pro vnitřní trysku a součásti potrubí se používají již nyní:

Celá konstrukce z titanu.
Nitridovaná nerez ocel.
Nerez ocel s keramickým povlakem nebo kompozitním povlakem.

Bezpečnost pájecích strojů pro bezolovnaté pájení

Z hlediska bezpečnosti bylo nutné vyřešit následující požadavky:

Závada pájecí vany je nejvážnějším nebezpečím, tj. prasknutí vlastní vany, zničení vnitřních částí, používaných k čerpání a vytváření vlny.
Funkční porucha materiálu nádrže může představovat ohrožení bezpečnosti a způsobit zranění.
Porucha jiných dílů může vést k prostoji nebo ztrátě výroby, avšak obecně nepředstavuje situaci ohrožující bezpečnost.
Bude platit VŽDY!!!!!! - Pravidelná výměna pájecí nádrže může pro některé uživatele znamenat problémy.

Účinky bezolovnaté slitiny na materiály pájecích van

Nerez ocel – Tato ocel je odolná vůči korozi díky tenké vrstvě oxidu chrómu, která se tvoří na povrchu. Tato vrstva je pro většinu materiálů neprostupná, včetně běžných pájek používajících olovo, avšak pájky s vysokými koncentracemi roztaveného cínu budou napadat a rozpouštět přirozený ochranný povlak na nerez ocelích. Tam kde tato vrstva chybí, dochází ke smáčení. A jakmile je povrch jednou smáčen, potom je otázkou krátkého času, kdy se spodní materiál začne rozpouštět do roztavené pájky. Na obrázku níže je vzorek řezu koroze v dílu z nerez oceli /304L/, který byl v kontaktu s pájkou 97%Sn po dobu přibližně jednoho roku, pořízený elektronovým mikroskopem. Na rozhraní nerez oceli a pájecí slity jsou vidět částečky oceli rozpuštěné v pájecí slitině.

Litina – Pájecí vany vyrobené z litiny, jež se v současné době používají v bezolovnatých aplikacích, vykazují velmi mírné smáčení bez známky koroze. Snímek šedé litiny ukazuje grafitové vločky a „blokování“ proti bezolovnaté pájecí slitině.

Laboratorní zkoušky odolnosti materiálů pájecích van vůči bezolovnaté slitě

Při stanovení optimálního materiálu pájecí vany bylo provedeno mnoho laboratorních zkoušek, které měli zkoumat chování stávajících materiálů a potenciálních materiálů pro bezolovnaté pájení. Laboratorní zkoušky byly provedeny na reprezentativních vzorcích, vystavených působení pájky 97%Sn při různých teplotách a různých expozičních dobách. Vzorky materiálu byly upraveny do pásů a pak ponořeny do statické lázně 97%Sn a zkoumány v intervalech 2 týdny, 4 týdny a 8 týdnů z hlediska známek smáčení.

Výsledky byly jednoznačné. Odolné proti rozpouštění je titan a šedá litina, nerezová ocel se rozpouští.

Nitridovaná nerezová ocel tzv. povlak Melonite se nanáší v nitridačním procesu v solné lázni a používá se ke zlepšení povrchových vlastností železných dílů. Povlak Melonite se skládá ze dvou odlišných vrstev. Kompozitní vrstva je tvořena nitridem e-železa (Fe3N), což je tvrdý, chemický stabilní materiál, jenž je prvotní příčinou zvýšené odolnosti vůči korozi. Druhá difúzní vrstva je tvořena nitridem g-železa (Fe4N), a je odpovědná za zvýšenou odolnost materiálu k únavě.

Testování bylo provedeno na vzorcích nitridované nerez oceli 316 opatřené povlakem, a to při teplotách 250, 350 a 450 °C. Při zvýšených teplotách žádný ze vzorků nevykazoval významné smáčení. Při mikroskopickém zkoumání byly austenitické difúzní jevy daleko zřetelnější, než při testování při nižších úrovních teplot. Podkopání Melonitové vrstvy bylo pozorováno na vzorku 316 opatřeného povlakem při 350 °C.

Test naznačuje, že životnost dílů opatřených nitridivaným povlakem je omezená. Povlak výrazně zlepšuje antikorozní ochranu ve srovnání s nepokrytou nerez ocelí, avšak po určité době může případně degradovat.

Vzorky z šedé litiny vizuálně vykázaly smáčení po dvou týdnech expozice. Obrázky ze světelného mikroskopu byly pořízeny na vzorcích s 8-týdenní expozicí, aby bylo možno stanovit rozsah koroze. Mikroskopické obrázky vzorku šedé litiny ukazují „blokování“, vytvořené vločkami grafitu v materiálu litiny. Údaje o korozi ukazují, že litina se bude opotřebovávat rychlostí 0.25 mm/rok, bude-li vystavena působení roztaveného cínu při 300 °C.

Titanový vzorek nevykazoval po expozici žádné účinky koroze nebo smáčení. Titan tvoří pasivní oxid na povrchu a diagram fáze titan-cín ukazuje, že tento kov nemá žádnou rozpustnost v cínu při obvyklých pájecích teplotách. Ze všech testovaných vzorků tento prvek měl největší trvanlivost vůči napadení korozí.

Výsledek ověřování: materiálový kompromis

Z hlediska samotné odolnosti vůči korozi je titan daleko nejlepším materiálem. Odhaduje se však, že nákupní cena zařízení pro pájení vlnou, vybavené pájecí jednotkou z titanu by byla podstatně vyšší, než cena jednotky zhotovené ze slitiny nerez oceli.

Nechráněná nerez ocel, ať 304 nebo 316, se nehodí pro dlouhodobé používání v bezolovnaté pájce bohaté na cín. Vzorky těchto materiálů se ochotně smáčejí již po poměrně krátkodobé expozici touto pájkou. Na druhé straně, je-li tento materiál chráněn povlakem Melonitu, ověřování ukazuje, že výsledkem bude prodloužená životnost, přesahující životnost nechráněné nerez oceli. Je důležité poznamenat, že nitridační povlaky nechrání nerez ocel navždy. Ty jen podstatně opožďují případnou korozi. Klíčem k cyklu dlouhé životnosti je vyhýbat se poškrábání nebo poškození ochranného povlaku z Melonitu. Jakmile je povlak poškozen, koroze oceli vespodu se urychlí.

Šedá litina se rychle smáčí bezolovnatou pájkou, avšak vykazuje blokovací účinek, jenž zpomaluje korozi na velmi nízkou úroveň.

Materiál	Výhoda	Nevýhoda	Doporučené použití	Četnost kontrol
Titan	Výjimečně odolný vůči účinkům cínu. Velmi drahý.	Nepraktický pro řadu dílů v pájecí jednotce	Místa vyžadující častou údržbu nebo čištění, desky trysky, kritické díly	Každé dva roky
Nerez ocel 304	Levná	Malá až nulová odolnost vůči korozi vlivem bezolovnatých pájek	Pájecí vana a vnitřní díly. Nehodí se pro kritické díly	Jednou měsíčně
Nerez ocel 316	Levná	Malá až nulová odolnost vůči korozi vlivem bezolovnatých pájek	Pájecí vana a vnitřní díly. Nehodí se pro kritické díly	Jednou měsíčně
Nerez opatřená povlakem Melonitu / nitridovaná ocel 304	Levná. Dobrá odolnost vůči pájce bohaté na cín	Při poškrábání bude degradovat	Pájecí vana, trysky, potrubí, rotory, čerpadla. Nehodí se pro kritické díly	Každých 6 měsíců
Nerez ocel 316 opatřená povlakem Melonitu / nitridovaná	Levná. Dobrá odolnost vůči pájce bohaté na cín	Při poškrábání bude degradovat	Pájecí vana, trysky, potrubí, rotory, čerpadla. Nehodí se pro kritické díly	Každé 3 měsíce
Šedá litina	Levná. Dobrá odolnost vůči pájce bohaté na cín. Poškrábání není kritické	Obtížné tvarování částí trysky	Díly ve styku s neprotékající pájkou. Díly kritické z hlediska bezpečnosti (hlavní pájecí lázeň)	Každý rok
Šedá litina s keramickým povrchem	Levná. Dobrá odolnost vůči pájce bohaté na cín. Poškrábání není kritické	Obtížné tvarování částí trysky	Díly ve styku s neprotékající pájkou. Díly kritické z hlediska bezpečnosti (hlavní pájecí lázeň)	Každé dva roky

Praktické provedení pájecích van

V praxi se ustálily v zásadě dva materiály:
1) šedá litina s keramickým povlakem (výrobce Kirsten)
2) nitridovaná nerezová ocel (výrobci TSM, ERSA, SEHO, ELEKTROVERT, atd)