Флюс

Флюс (от лат. fluere — течь, протекать; в металлургии и пайке) — это вспомогательное вещество, предназначенное для удаления оксидных плёнок с поверхности соединяемых материалов (металлов, сплавов, керамики) и расплавленного припоя, а также для предотвращения их окисления в процессе нагрева. Флюсы применяются при пайке, сварке, лужении и в металлургии для очистки и рафинирования расплавов. В зависимости от состава и назначения, флюсы могут быть твёрдыми, жидкими, пастообразными или газообразными.

История

Использование флюсов известно с древнейших времён. При раскопках поселений бронзового века археологи находили следы веществ, которые применялись для очистки металла при пайке и литье. В Древнем Египте и Месопотамии для этих целей использовали буру (тетраборат натрия), природную соду и древесную смолу. В античную эпоху греческие и римские мастера применяли оливковое масло, воск и канифоль для пайки свинцовых водопроводных труб и ювелирных изделий.

В Средние века развитие алхимии и металлургии привело к появлению более сложных рецептур. В частности, для пайки стали и железа использовали буру, смешанную с хлоридом аммония (нашатырём). Промышленная революция XVIII—XIX веков стимулировала массовое производство флюсов. В 1845 году английский химик Джеймс Юнг запатентовал первый состав на основе канифоли, растворённой в спирте, который стал прообразом современных жидких флюсов для пайки. В XX веке с развитием электроники и радиотехники были разработаны специальные низкоактивные флюсы, не вызывающие коррозии контактов.

Классификация

Флюсы классифицируют по нескольким признакам: агрегатному состоянию, химическому составу, температурному диапазону применения и механизму действия.

По агрегатному состоянию

• Твёрдые — порошки, гранулы, палочки, таблетки. Примеры: канифоль, бура, хлорид аммония.
• Жидкие — растворы активных веществ в спирте, воде или органических растворителях. Примеры: спиртовой раствор канифоли (СКФ), глицериновые флюсы.
• Пастообразные — густые смеси, часто содержащие частицы припоя. Удобны для дозированного нанесения.
• Газообразные — защитные газы (аргон, азот, водород), подаваемые в зону пайки или сварки для вытеснения кислорода.

По химическому составу

• Канифольные — на основе природной смолы (канифоли) и её модификаций. Отличаются низкой активностью, не требуют обязательной отмывки.
• Кислотные (активные) — содержат хлориды цинка, аммония, олова, фосфорную или ортофосфорную кислоту. Обладают высокой очищающей способностью, но вызывают коррозию.
• Активированные — канифольные флюсы с добавлением активаторов (галогенидов, органических кислот). Занимают промежуточное положение.
• Водорастворимые — на основе полиэтиленгликолей, глицерина, лимонной кислоты. Легко смываются водой.
• Безгалогенные — не содержат хлора, брома, фтора. Применяются в ответственной электронике.
• Специальные — для пайки алюминия, нержавеющей стали, титана, керамики.

По температурному диапазону

• Низкотемпературные — для пайки мягкими припоями (до 450 °C). Обычно на основе канифоли или органических кислот.
• Высокотемпературные — для пайки твёрдыми припоями (выше 450 °C). Используют буру, борную кислоту, фториды.

По механизму действия

• Химические — вступают в реакцию с оксидами, образуя летучие или растворимые соединения.
• Физические — растворяют оксидную плёнку или создают защитную атмосферу.
• Комбинированные — сочетают оба механизма.

Устройство и состав

Основу большинства флюсов составляет активное вещество, растворённое или смешанное с носителем. Типичные компоненты:

• Канифоль (сосновая смола) — основной компонент низкоактивных флюсов. При нагреве расплавляется, растворяет оксиды меди и олова, а после остывания образует защитную плёнку.
• Бура (тетраборат натрия) — используется в высокотемпературных флюсах. При нагреве разлагается, образуя борный ангидрид, который активно связывает оксиды.
• Хлорид цинка — сильный окислитель, удаляет оксиды с поверхности стали и чугуна. Входит в состав паяльных кислот.
• Хлорид аммония (нашатырь) — при нагреве разлагается с выделением хлороводорода, который травит оксидную плёнку.
• Органические кислоты (лимонная, щавелевая, молочная) — применяются в водорастворимых флюсах.
• Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — улучшают смачивание и растекание припоя.
• Растворители (спирт, вода, ацетон) — обеспечивают консистенцию и удобство нанесения.

Применение

Пайка и лужение

Основная область применения флюсов — пайка. Флюс наносится на соединяемые детали перед нагревом. При нагреве он расплавляется, растекается по поверхности, растворяет и удаляет оксидную плёнку, после чего припой легко смачивает и соединяет детали.

• В электронике и радиотехнике используются низкоактивные канифольные и активированные флюсы. Они не должны содержать ионов, вызывающих коррозию, и часто требуют отмывки (например, изопропиловым спиртом).
• В сантехнике и системах отопления для пайки медных труб применяют кислотные флюсы на основе хлорида цинка или ортофосфорной кислоты.
• В ювелирном деле используют буру и борную кислоту для пайки золота, серебра, платины.
• В автомобильной промышленности — для пайки радиаторов, топливных трубок и кузовных деталей.

Сварка и металлургия

В сварке флюсы используются для защиты сварочной ванны от окисления и для легирования шва. При дуговой сварке под флюсом (например, по ГОСТ 9087-81) гранулированный флюс подаётся в зону сварки, расплавляется и образует шлаковую корку. В металлургии флюсы (известь, плавиковый шпат, кремнезём) применяются для удаления примесей из расплавленного металла и для снижения температуры плавления руды.

Химическая промышленность

Флюсы используются в процессах очистки и рафинирования металлов, а также в производстве стекла и керамики. Например, в стекловарении флюсами служат сода и поташ, снижающие температуру плавления шихты.

Критерии выбора

Выбор флюса определяется:

• Типом соединяемых материалов (медь, сталь, алюминий, керамика).
• Типом припоя (оловянно-свинцовый, серебряный, медный).
• Температурой пайки.
• Требованиями к коррозионной стойкости и электрической изоляции.
• Необходимостью последующей отмывки.

Для пайки ответственных электронных компонентов (микросхем, BGA-корпусов) применяются безотмывочные флюсы с низким содержанием ионов. Для пайки алюминия и нержавеющей стали требуются высокоактивные флюсы на основе фторидов или хлоридов.

Безопасность и экология

Многие флюсы содержат токсичные или коррозионно-активные вещества. При нагреве они могут выделять вредные пары (хлороводород, формальдегид, аммиак). Работа с флюсами требует соблюдения мер предосторожности: использования вентиляции, средств индивидуальной защиты (перчатки, очки, респиратор). Отработанные флюсы и промывочные растворы подлежат утилизации в соответствии с местными нормативами. В России обращение с флюсами регулируется ГОСТ 12.1.007-76 (классификация опасных веществ) и санитарными правилами СП 2.2.3670-20.

Интересные факты

• В средневековой Европе для пайки использовали смесь из свиного сала и древесной золы — такой флюс давал обильный дым, но эффективно очищал поверхность.
• В СССР был разработан флюс ФКСп (флюс канифольный спиртовой), который до сих пор широко применяется в радиолюбительской практике.
• Современные безотмывочные флюсы могут содержать до 10–15 различных компонентов, включая ингибиторы коррозии и стабилизаторы.
• В космической промышленности для пайки используются флюсы на основе ионных жидкостей, не содержащих летучих органических соединений.

Источники

• ГОСТ 19248-90. Флюсы для пайки. Классификация и общие технические требования.
• ГОСТ 9087-81. Флюсы сварочные плавленые. Технические условия.
• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1988–1998.
• Справочник по пайке / под ред. И. Е. Петрунина. — М.: Машиностроение, 2003.
• Материаловедение: учебник для вузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макарова. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008.