Fundente (metalurgia)

En los procesos de unión de metales a alta temperatura ( soldadura , soldadura fuerte y soldadura blanda ), los fundentes son prácticamente inertes a temperatura ambiente, pero se vuelven altamente reductores a temperaturas elevadas, lo que previene la oxidación del material base y del material de aporte. La función del fundente suele ser doble: disolver los óxidos ya presentes en la superficie del metal para facilitar la humectación por el metal fundido y actuar como barrera de oxígeno al recubrir la superficie caliente, evitando así la oxidación.

Por ejemplo, la soldadura de estaño-plomo ^{[ 5 ]} se adhiere muy bien al cobre, pero mal a sus óxidos, que se forman rápidamente a temperaturas de soldadura. Al impedir la formación de óxidos metálicos, el fundente permite que la soldadura se adhiera a la superficie limpia del metal, en lugar de formar cordones, como ocurriría en una superficie oxidada.

Soldadura fuerte y soldadura de plata

La soldadura fuerte (a veces conocida como soldadura de plata o soldadura dura ) requiere una temperatura más alta que la soldadura blanda (> 450 °C). Además de eliminar los óxidos existentes, debe evitarse la oxidación rápida del metal a temperaturas elevadas. Esto significa que los fundentes deben ser más agresivos y proporcionar una barrera física. ^{[ 8 ]} Tradicionalmente se usaba bórax como fundente para la soldadura fuerte, pero ahora hay muchos fundentes diferentes disponibles, a menudo con sustancias químicas activas como fluoruros ^{[ 9 ]} así como agentes humectantes. Muchas de estas sustancias químicas son tóxicas y se debe tener mucho cuidado al usarlas.

En el proceso de fundición , los cloruros inorgánicos, los fluoruros (véase fluorita ), la caliza y otros materiales se denominan "fundentes" cuando se añaden al contenido de un horno de fundición o cubilote con el fin de eliminar impurezas químicas del metal, como el fósforo, y de hacer que la escoria sea más líquida a la temperatura de fundición. La escoria es una mezcla líquida de ceniza , fundente y otras impurezas. Esta reducción de la viscosidad de la escoria con la temperatura, que aumenta su fluidez durante la fundición, es el origen del término " fundente" en metalurgia.

El fundente más utilizado en los hornos de hierro y acero es la piedra caliza , que se añade en las proporciones adecuadas al hierro y al combustible .

Los fundentes ácidos (no utilizados en electrónica) pueden contener ácido clorhídrico , cloruro de zinc o cloruro de amonio , sustancias nocivas para la salud humana. Por lo tanto, se recomienda manipularlos con guantes y gafas de seguridad, y utilizarlos en un área con ventilación adecuada.

La exposición prolongada a los humos de resina liberados durante la soldadura puede causar asma ocupacional (anteriormente llamada enfermedad de la colofonia ^{[ 11 ]} en este contexto) en individuos sensibles, aunque se desconoce qué componente de los humos causa el problema. ^{[ 12 ]}

Si bien la soldadura fundida tiene poca tendencia a adherirse a materiales orgánicos, los fundentes fundidos, especialmente los de tipo resina/colofonia, se adhieren bien a los dedos. Una masa de fundente caliente y pegajoso puede transferir más calor a la piel y causar quemaduras más graves que una partícula comparable de metal fundido no adherente, que se puede sacudir fácilmente. En este sentido, el fundente fundido es similar al pegamento caliente fundido .

En algunos casos, la presencia de fundente es indeseable; los restos de fundente interfieren, por ejemplo, con la óptica de precisión o los ensamblajes MEMS . Los residuos de fundente también tienden a liberar gases en aplicaciones de vacío y espaciales, y los restos de agua, iones y compuestos orgánicos pueden afectar negativamente la fiabilidad a largo plazo de los encapsulados no herméticos. Los residuos de fundente atrapados son también la causa de la mayoría de los huecos en las uniones. Por lo tanto, en estos casos, se prefieren las técnicas sin fundente. ^{[ 13 ]}

Para lograr una soldadura blanda y fuerte exitosa, es necesario eliminar la capa de óxido tanto de la superficie de los materiales como de la superficie de la preforma de metal de aporte. Las superficies expuestas también requieren protección contra la oxidación durante el calentamiento. Asimismo, se pueden utilizar preformas recubiertas con fundente para eliminar por completo los residuos de fundente del proceso de soldadura. ^{[ 14 ]}

Proteger las superficies contra una mayor oxidación es relativamente sencillo, utilizando vacío o atmósfera inerte. Eliminar la capa de óxido nativa es más complicado, ya que requiere métodos de limpieza físicos o químicos. Las superficies pueden protegerse, por ejemplo, mediante un recubrimiento de oro. La capa de oro debe ser suficientemente gruesa y no porosa para proporcionar protección durante un tiempo de almacenamiento razonable. Un recubrimiento de oro grueso también limita la elección de aleaciones de soldadura, ya que las soldaduras a base de estaño disuelven el oro y forman compuestos intermetálicos frágiles , lo que fragiliza la unión. Los recubrimientos de oro más gruesos suelen limitarse al uso con soldaduras a base de indio y soldaduras con alto contenido de oro.

La eliminación de los óxidos de la preforma de soldadura también resulta problemática. Afortunadamente, algunas aleaciones pueden disolver los óxidos superficiales en su masa al sobrecalentarse varios grados por encima de su punto de fusión; las aleaciones Sn-Cu ₁ y Sn-Ag ₄ requieren un sobrecalentamiento de 18–19  °C, la Sn-Sb ₅ requiere tan solo 10  °C, pero la aleación Sn-Pb ₃₇ requiere 77  °C por encima de su punto de fusión para disolver su óxido superficial. Sin embargo, el óxido disuelto degrada las propiedades de la soldadura y aumenta su viscosidad en estado fundido, por lo que este método no es óptimo.

preformas de soldaduraSe prefieren las pastas con una alta relación volumen-superficie, ya que esto limita la cantidad de óxido formado. Las pastas deben contener partículas esféricas lisas, y las preformas idealmente se fabrican con alambre redondo. Los problemas con las preformas también pueden evitarse depositando la aleación de soldadura directamente sobre las superficies de las piezas o sustratos, por ejemplo, mediante métodos químicos o electroquímicos.

En algunos casos, una atmósfera protectora con propiedades reductoras químicas puede resultar beneficiosa. El hidrógeno molecular puede utilizarse para reducir los óxidos superficiales de estaño e indio a temperaturas superiores a 430 y 470  °C, respectivamente; en el caso del zinc, la temperatura supera los 500  °C, donde el zinc ya comienza a volatilizarse. (A temperaturas más bajas, la velocidad de reacción es demasiado lenta para aplicaciones prácticas). La reacción requiere presiones parciales muy bajas de oxígeno y vapor de agua.

También se utilizan otras atmósferas reactivas. Los vapores de ácido fórmico y ácido acético son los más comunes. El monóxido de carbono y los gases halógenos (por ejemplo, tetrafluoruro de carbono , hexafluoruro de azufre o diclorodifluorometano ) requieren temperaturas bastante elevadas durante varios minutos para ser efectivos.

El hidrógeno atómico es mucho más reactivo que el hidrógeno molecular. En contacto con óxidos superficiales, forma hidróxidos, agua o complejos hidrogenados, que son volátiles a temperaturas de soldadura. Un método práctico de disociación es la descarga eléctrica. Se pueden utilizar composiciones de gas argón-hidrógeno con una concentración de hidrógeno inferior al límite de inflamabilidad, eliminando así los problemas de seguridad. La operación debe realizarse a baja presión, ya que la estabilidad del hidrógeno atómico a presión atmosférica es insuficiente. Este plasma de hidrógeno puede utilizarse para la soldadura por reflujo sin fundente.

Las atmósferas activas son relativamente comunes en la soldadura fuerte en horno; debido a las altas temperaturas del proceso, las reacciones son bastante rápidas. Los componentes activos suelen ser monóxido de carbono (posiblemente en forma de gas combustible) e hidrógeno. La disociación térmica del amoníaco produce una mezcla económica de hidrógeno y nitrógeno.

El bombardeo con haces de partículas atómicas puede eliminar capas superficiales a una velocidad de decenas de nanómetros por minuto. La adición de hidrógeno al plasma aumenta la eficacia de la eliminación mediante mecanismos químicos.

La agitación mecánica es otra posibilidad para romper la capa de óxido. El ultrasonido puede utilizarse para facilitar el estañado y la soldadura; un transductor ultrasónico puede montarse en el soldador, en un baño de soldadura o en la ola para la soldadura por ola . La ruptura y eliminación del óxido implica efectos de cavitación entre la soldadura fundida y la superficie del metal base. Una aplicación común del fundente ultrasónico es el estañado de piezas pasivas (las piezas activas no soportan bien las tensiones mecánicas); incluso el aluminio puede estañarse de esta manera. Posteriormente, las piezas pueden soldarse o soldarse con latón de forma convencional.

El frotamiento mecánico de una superficie caliente con soldadura fundida puede utilizarse para recubrir dicha superficie. Ambas superficies a unir pueden prepararse de esta manera, para luego juntarlas y recalentarlas. Esta técnica se utilizaba antiguamente para reparar pequeños desperfectos en el revestimiento de aluminio de los aviones.

Se puede utilizar una capa muy fina de zinc para unir piezas de aluminio. Debido al pequeño volumen de material de aporte, las piezas deben estar perfectamente mecanizadas o prensadas. A altas temperaturas aplicadas durante un tiempo prolongado, el zinc se difunde lejos de la unión. La unión resultante no presenta debilidad mecánica y es resistente a la corrosión. Esta técnica se conoce como soldadura por difusión. ^{[ 15 ]}

La soldadura fuerte sin fundente de aleaciones de cobre se puede realizar con metales de aporte autofundentes. Estos metales contienen un elemento capaz de reaccionar con el oxígeno, generalmente fósforo . Un buen ejemplo es la familia de aleaciones de cobre-fósforo.

La composición de los fundentes se adapta a las propiedades requeridas: los metales base y su preparación superficial (que determinan la composición y el espesor de los óxidos superficiales), la soldadura (que determina las propiedades de humectación y la temperatura de soldadura), la resistencia a la corrosión y la facilidad de eliminación, entre otras.

Los fundentes para soldadura blanda suelen ser de naturaleza orgánica, aunque también se utilizan fundentes inorgánicos, generalmente a base de halogenuros o ácidos, en aplicaciones no electrónicas. Los fundentes para soldadura fuerte operan a temperaturas significativamente más altas y, por lo tanto, son mayoritariamente inorgánicos; los compuestos orgánicos suelen ser complementarios, por ejemplo, para que el fundente sea pegajoso a baja temperatura y así facilitar su aplicación.

La superficie de la soldadura a base de estaño está recubierta predominantemente de óxidos de estaño; incluso en las aleaciones, la capa superficial tiende a enriquecerse relativamente con estaño. Los fundentes para soldaduras a base de indio y zinc tienen composiciones diferentes a los fundentes para soldaduras comunes de estaño-plomo y a base de estaño, debido a las distintas temperaturas de soldadura y a la diferente química de los óxidos involucrados.

Los fundentes orgánicos no son adecuados para la soldadura blanda ni para la soldadura fuerte con llama, ya que tienden a carbonizarse y a dificultar el flujo de la soldadura.

Algunos metales se clasifican como "no soldables" en el aire y deben recubrirse con otro metal antes de soldarlos o unirse mediante fundentes especiales o atmósferas protectoras. Entre estos metales se encuentran el berilio , el cromo , el magnesio , el titanio y algunas aleaciones de aluminio .

Los fundentes para soldadura a alta temperatura difieren de los fundentes para uso a temperaturas más bajas. A temperaturas elevadas, incluso los productos químicos relativamente suaves tienen suficiente actividad disruptora de óxido, pero las tasas de oxidación del metal se vuelven bastante altas; por lo tanto, la función de barrera del vehículo se vuelve más importante que la actividad fundente. A menudo se utilizan hidrocarburos de alto peso molecular para esta aplicación; generalmente se utiliza un diluyente de menor peso molecular, que se evapora durante la fase de precalentamiento, para facilitar la aplicación. ^{[ 16 ]}

Los fundentes comunes son el cloruro de amonio o los ácidos resínicos (contenidos en la colofonia ) para soldar cobre y estaño ; el ácido clorhídrico y el cloruro de zinc para soldar hierro galvanizado (y otras superficies de zinc ); y el bórax para la soldadura fuerte , la soldadura por brazing de metales ferrosos y la soldadura por forja .

Los flujos orgánicos suelen constar de cuatro componentes principales: ^{[ 17 ]}

• Activadores : sustancias químicas que disuelven los óxidos metálicos. Su función es exponer la superficie metálica sin oxidar y fácilmente humectable, y facilitar la soldadura por otros medios, por ejemplo, mediante reacciones de intercambio con los metales base.
  • Los fundentes altamente activos contienen sustancias químicas corrosivas a temperatura ambiente. Entre los compuestos utilizados se incluyen haluros metálicos (generalmente cloruro de zinc o cloruro de amonio ), ácido clorhídrico , ácido fosfórico , ácido cítrico y ácido bromhídrico . También se utilizan sales de ácidos minerales con aminas como activadores agresivos. Los fundentes agresivos suelen facilitar la corrosión , requieren una eliminación cuidadosa y no son adecuados para trabajos de precisión. Los activadores para fundentes de soldadura blanda y fuerte de aluminio suelen contener fluoruros .
  • Los activadores más suaves comienzan a reaccionar con los óxidos solo a temperaturas elevadas. Los compuestos típicos que se utilizan son ácidos carboxílicos (por ejemplo , ácidos grasos (generalmente ácido oleico y ácido esteárico ), ácidos dicarboxílicos ) y, a veces, aminoácidos . Algunos fundentes más suaves también contienen haluros u organohaluros .
• Vehículos : sustancias químicas tolerantes a altas temperaturas en forma de líquidos no volátiles o sólidos con un punto de fusión adecuado; generalmente son líquidos a temperaturas de soldadura. Su función es actuar como barrera de oxígeno para proteger la superficie del metal caliente contra la oxidación, disolver los productos de reacción de los activadores y óxidos y alejarlos de la superficie del metal, y facilitar la transferencia de calor. Los vehículos sólidos suelen estar basados ​​en colofonia natural o modificada (principalmente ácido abiético , ácido pimárico y otros ácidos resínicos ) o resinas naturales o sintéticas . Los fundentes orgánicos solubles en agua suelen contener vehículos basados ​​en polioles de alto punto de ebullición : glicoles , dietilenglicol y poliglicoles superiores, tensioactivos a base de poliglicol y glicerol .
• Disolventes : se añaden para facilitar el procesamiento y la deposición en la junta. Los disolventes suelen secarse durante el precalentamiento previo a la soldadura; una eliminación incompleta puede provocar la evaporación y la dispersión de partículas de pasta de soldadura o soldadura fundida.
• Aditivos : numerosos otros productos químicos que modifican las propiedades del fundente. Los aditivos pueden ser tensioactivos (especialmente no iónicos), inhibidores de corrosión , estabilizadores y antioxidantes , agentes adhesivos , espesantes y otros modificadores reológicos (especialmente para pastas de soldadura ), plastificantes (especialmente para soldaduras con núcleo de fundente) y colorantes .

Los fundentes inorgánicos contienen componentes que desempeñan la misma función que los fundentes orgánicos. Se utilizan con mayor frecuencia en soldadura fuerte y otras aplicaciones de alta temperatura, donde los fundentes orgánicos presentan una estabilidad térmica insuficiente. Los productos químicos empleados suelen actuar simultáneamente como vehículos y activadores; ejemplos típicos son el bórax , los boratos , los fluoroboratos , los fluoruros y los cloruros . Los halógenos son activos a temperaturas más bajas que los boratos y, por lo tanto, se utilizan para la soldadura fuerte de aleaciones de aluminio y magnesio; sin embargo, son altamente corrosivos.

La función principal de los activadores es la desintegración y eliminación de la capa de óxido en la superficie del metal (y también en la soldadura fundida), para facilitar el contacto directo entre la soldadura fundida y el metal. El producto de la reacción suele ser soluble o, al menos, dispersable en el metal fundido. Los activadores suelen ser ácidos o compuestos que liberan ácidos a temperaturas elevadas.

La reacción general de eliminación de óxido es:

Óxido metálico + Ácido → Sal + Agua

Las sales son de naturaleza iónica y pueden causar problemas como la lixiviación de metales o el crecimiento de dendritas , con la consiguiente posible falla del producto. En algunos casos, especialmente en aplicaciones de alta fiabilidad , es necesario eliminar los residuos de fundente.

La actividad del activador generalmente aumenta con la temperatura, hasta un cierto valor en el que cesa, ya sea por descomposición térmica o por volatilización excesiva. Sin embargo, la velocidad de oxidación de los metales también aumenta con la temperatura.

A altas temperaturas, el óxido de cobre reacciona con el cloruro de hidrógeno para formar cloruro de cobre, soluble en agua y mecánicamente débil, y con la colofonia para formar sales de cobre y ácido abiético, que es soluble en colofonia fundida.

Algunos activadores también pueden contener iones metálicos, capaces de reaccionar por intercambio con el metal subyacente; estos fundentes facilitan la soldadura al depositar químicamente una fina capa de metal más fácilmente soldable sobre el metal base expuesto. Un ejemplo es el grupo de fundentes que contienen compuestos de zinc , estaño o cadmio, generalmente cloruros, y a veces fluoruros o fluoroboratos.

Los activadores de alta actividad más comunes son los ácidos minerales , a menudo junto con haluros, aminas, agua o alcoholes:

• ácido clorhídrico , el más común
• ácido fosfórico , menos común, su uso está limitado por su polimerización a temperaturas más altas.

Los ácidos inorgánicos son altamente corrosivos para los metales incluso a temperatura ambiente, lo que causa problemas durante su almacenamiento, manipulación y aplicación. Dado que la soldadura implica altas temperaturas, se suelen utilizar compuestos que se descomponen o reaccionan con ácidos como productos.

• cloruro de zinc , que a altas temperaturas reacciona con la humedad, formando oxicloruro y ácido clorhídrico.
• cloruro de amonio , que se descompone térmicamente en amoníaco y ácido clorhídrico.
• hidrocloruros de amina , que se descomponen en amina y ácido clorhídrico.

Los fundentes de colofonia se clasifican por grados de actividad: L para bajo, M para moderado y H para alto. También existen otras abreviaturas para los diferentes grados de fundente de colofonia: ^{[ 18 ] [ 20 ]}

• R (Colofonia) – colofonia pura, sin activadores, baja actividad, la más suave
• WW (water-white) – grado de resina más puro, sin activadores, baja actividad, a veces sinónimo de R
• RMA (resina ligeramente activada): contiene activadores suaves, normalmente sin haluros.
• RA (resina activada) – resina con fuertes activadores, alta actividad, contiene haluros
• OA (ácido orgánico) – colofonia activada con ácidos orgánicos, alta actividad, altamente corrosiva, limpieza acuosa
• SA (activado sintéticamente): colofonia con fuertes activadores sintéticos, de alta actividad; formulada para ser fácilmente soluble en disolventes orgánicos ( clorofluorocarbonos , alcoholes) para facilitar la limpieza.
• WS (soluble en agua): generalmente a base de haluros inorgánicos u orgánicos; residuos altamente corrosivos.
• SRA (colofonia superactivada): colofonia con activadores muy potentes y una actividad muy elevada.
• IA (ácido inorgánico) – colofonia activada con ácidos inorgánicos (generalmente ácido clorhídrico o ácido fosfórico), actividades máximas, altamente corrosivo

Los grados R, WW y RMA se utilizan para juntas que no se pueden limpiar fácilmente o donde existe un riesgo de corrosión demasiado elevado. Los grados más activos requieren una limpieza exhaustiva de los residuos. Una limpieza inadecuada puede agravar la corrosión al liberar los activadores atrapados en los residuos del fundente.

Algunos materiales son muy difíciles de soldar. En algunos casos, es necesario utilizar fundentes especiales.

La corrosión a altas temperaturas puede afectar a las turbinas de gas que operan en entornos con alta concentración de sal (por ejemplo, cerca del océano). Las turbinas absorben sales, como cloruros y sulfatos , que se depositan en las zonas calientes del motor; otros elementos presentes en los combustibles también forman sales, como los vanadatos . El calor del motor funde estas sales, que luego pueden erosionar las capas de óxido pasivantes de los componentes metálicos del motor, acelerando así la corrosión.

La norma más común en Europa es la ISO 9454-1 (también conocida como DIN EN 29454-1). ^{[ 24 ]}

Esta norma especifica cada fundente mediante un código de cuatro caracteres: tipo de fundente, base, activador y forma. La forma suele omitirse.

Por lo tanto, 1.1.2 significa flujo de colofonia con haluros.

La antigua norma alemana DIN 8511 todavía se utiliza con frecuencia en los talleres. En la tabla siguiente, observe que la correspondencia entre los códigos DIN 8511 e ISO 9454-1 no es unívoca.

Una norma cada vez más utilizada (por ejemplo, en Estados Unidos) es la J-STD -004. Es muy similar a la DIN EN 61190-1-1.

Cuatro caracteres (dos letras, luego una letra y por último un número) representan la composición del flujo, la actividad del flujo y si los activadores incluyen haluros: ^{[ 25 ]}

• Primeras dos letras: Base
  • RO: colofonia
  • RE: resina
  • O bien: orgánico
  • IN: inorgánico
• Tercera letra: Actividad
  • L: bajo
  • M: moderado
  • H: alto
• Número: Contenido de haluro
  • 0: menos del 0,05 % en peso (“libre de haluros”)
  • 1: El contenido de haluro depende de la actividad:
    • menos del 0,5% para baja actividad
    • Del 0,5% al ​​2,0% para actividad moderada
    • superior al 2,0% para alta actividad

Es posible cualquier combinación, por ejemplo ROL0, REM1 u ORH0.

La norma J-STD-004 caracteriza el flujo mediante la fiabilidad del residuo desde el punto de vista de la resistencia de aislamiento superficial (SIR) y la electromigración . Incluye pruebas de electromigración y resistencia de aislamiento superficial (que debe ser superior a 100 MΩ después de 168 horas a temperatura y humedad elevadas con polarización de CC aplicada).

Las antiguas normas MIL -F-14256 y QQ -S-571 definían los flujos como:

• R (resina)
• RMA (resina ligeramente activada)
• RA (activado por colofonia)
• WS (soluble en agua)

Cualquiera de estas categorías puede ser sin limpieza o sí, dependiendo de la química seleccionada y del estándar que exija el fabricante.