Temat: Cynowanie obwodów drukowanych. Lutowanie stali nierdzewnych przy użyciu
topnika aktywnego.
1. Wstęp teoretyczny
Cyna jest metalem srebrzystobiałym, trwałym w warunkach normalnych, łatwo
kowalnym i łatwo topliwym. Występuje ona w różnych odmianach, które nazywamy
alotropowymi. Temperatura topnienia: 505,08 K/231,93 °C, Temperatura wrzenia: 2875
K/2601,85 °C.
W warunkach standardowych występuje w odmianie β (beta) zwanej cyną białą, trwałej
powyżej 13,2 °C. Odmiana ta na ma sieć krystaliczną w układzie tetragonalnym, o gęstości
7,3 g/cm³.W temperaturach niższych przechodzi w odmianę regularną α (alfa) o gęstości 5,85
g/cm³. Zmiana gęstości jest równoznaczna ze zmianą objętości, co powoduje, że cyna rozpada
się, tworząc szary proszek zwany cyną szarą. Zjawisko to nazywane jest zarazą cynową.
Cyny używa się do pokrywania innych metali cienką warstwą antykorozyjną. Proces
cynowania stosowany jest do zabezpieczania stalowych naczyń stosowanych w przemyśle
spożywczym np. puszek do konserw oraz konwi na mleko, do pokrycia naczyń kuchennych i
przyborów stołowych, w elektrotechnice (powlekanie cyną przewodów miedzianych dla
ochrony przed działaniem siarki, w czasie gumowania, ułatwienia montażu w przemyśle
radio- i teletechnicznym), częściowe zabezpieczenie powierzchni przed azotowaniem bądź też
jako zabezpieczanie przed korozją.
Lutowanie to metoda trwałego łączenia elementów metalowych za pomocą metalowego
spoiwa zwanego lutem o temperaturze topnienia niższej niż temperatura topnienia łączonych
elementów. Proces lutowania należy prowadzić w temperaturze wyższej od temperatury
topnienia lutu, lecz nie wyższej od temperatury topnienia łączonych elementów. Dzięki temu
lut topi się, a łączone elementy pozostają cały czas w stanie stałym.
Podczas lutowania powierzchnia łączonych metali nie zostaje stopiona, a trwałe połączenie
następuje dzięki wystąpieniu zjawiska kohezji i płytkiej dyfuzji. Spoiwo lutownicze wnika w
szczelinę między elementami lutowanymi oraz mikropory materiału lutowanego dzięki
zjawisku zwilżania powierzchni elementów lutem.
Żeby powstało prawidłowo wykonane złącze lutowane, musi dojść do wytworzenia
wiązania metalicznego między elementami lutowanymi a lutem. Aby do tego doszło, ciekły
lut musi zwilżyć powierzchnie elementów lutowanych. Warunkiem zwilżania jest, by siły
przyciągania między cząsteczkami ciekłego lutu a cząsteczkami lutowanych metali (zw.
siłami adhezji) były większe od sił spójności pomiędzy cząsteczkami ciekłego lutu (zw. siłami
kohezji). Zwilżalność w dużym stopniu zależy od czystości powierzchni łączonych części.
Zanieczyszczenia tlenkami lub tłuszczem, nawet przy niedużych ilościach, są w stanie
wywołać zwiększenie kąta zetknięcia, co prowadzi do pogorszenia zwilżalności. Pomimo
usuwania powstałych tlenków na sposób mechaniczny lub chemiczny, oczyszczona
powierzchnia będzie miała nijako polepszone zwilżanie, ponieważ nie jest ono całkowicie
skuteczne, gdyż w czasie lutowania powstaną nowe tlenki. Z tego oto powodu stosuje się
dodatkowo rozpuszczanie tlenków za pomocą tzw. topników. Rozpuszczone tlenki w postaci
żużla wypływają na powierzchnię ciekłego lutu, skąd po skończonym procesie lutowania
usuwa się je mechanicznie pod koniec lutowania
Materiałem łączącym jest lut (lutowie). Narzędzie ręczne służące do lutowania to
lutownica lub palnik. Czynność lutowania jest również wykonywana w specjalnych piecach.
.
2. Opis pojęć, które wystąpiły w ćwiczeniach:
Cynowanie obwodów drukowanych
Przeprowadzone ćwiczenie ukazało nam, iż kawałek laminatu miedzio-epoksydowego był
pokryty warstwą cyny, która miała na celu chronienie płytki przed korozją. Po zanurzeniu
tego kawałka w roztworze stworzonego głównie z chlorku cyny i timocznika, a także z innych
substytutów, byliśmy w stanie usunąć warstwę cyny, która de facto nałożona była
prawdopodobnie poprzez kąpiel, której w skład wchodzą: nadmieniony już chlorek cynowy i
tiomocznik, a także kwas solny i odpowiednie dodatki. Jest to tak zwana metoda
zanurzeniowa, której efektem jest powstanie powłoki cynowej o grubości do 2,5 urn. Za
zakończenie procesu cynowania płytki uważa się jej wypłukanie z pozostałości timocznika,
ponieważ zaniechanie tej czynności może skutkować w utracie lutowności płytki, a także w
zapoczątkowaniu procesu korozji. Niektóre tego typu kąpiele mogą być z powodzeniem użyte
do osadzenia cienkiej warstwy cyny na wytrawionej płytce z powłoką Sn-Pb o słabej
lutowności. Przynosi to zazwyczaj znaczna, poprawę jej lutowności.
W roztworze w/w zanurzany była również moneta (1 grosz). Efektem 5 minutowej kąpieli
oraz płukania, było zmienienie barwy z brązowej na srebrną monety, co dowodzi
występowania powłoki cyny na groszu. Doświadczenie te ukazało nam powód, dla którego
polskie monety nie ulegają korozji.
Oprócz wspomnianej metody kontaktowej cynowania metali istnieją takie metody jak:
natryskowa (metalizacja),
osadzania elektrolitycznego (galwaniczna powłoka) w procesie anodowym (na miedzi
i mosiądzu) lub katodowym (na stali lub żeliwie),
ogniowa (przez zanurzenie wyrobu w stopionej cynie),
Lutowanie stali nierdzewnych przy użyciu topnika aktywnego
Stalą nierdzewną w lutowaniu w w/w ćwiczeniu były różne elementy, które mogły ulec
przytwierdzeniu do płytki elektronicznej. W procesie tym użyliśmy lutownicy grzałkowej
(oporowej), lutu oraz topnika. Generalnie lut dzieli się na miękkie, zazwyczaj cynowo-
ołowiowe, topiące się w zakresie 170 - 325°C i twarde topiące się powyżej 600°C. Ich skład
chemiczny może być różny w zależności od potrzeb. Miękkie bazują najczęściej na cynie i
ołowiu, natomiast twarde na srebrze i miedzi. Użytym topnikiem(odtleniaczem) była
kalafonia, której użycie miało na celu ułatwienie lutowania poprzez chemiczne oczyszczanie
łączonych metali. Topnik generalnie spełnia trzy funkcje:
usuwa tlenki i inne zanieczyszczenia z lutowanych powierzchni
zapobiega powstawaniu nowych tlenków podczas lutowania poprzez odcięcie
kontaktu z powietrzem
ułatwia topnienie i zwiększa płynność lutu
Innymi powszechnie stosowanymi topnikami są: chlorek amonu do lutowania lutem
cynowo-ołowiowym, kwas solny lub chlorek cynku do lutowania powłok ocynkowanych,
boraks do lutowania twardego metali żelaznych.