ITRI

La División de Impuridades en el
Proceso de Recuperación de Soldadura de Escoria

Informe No. TE 47418

Autores:
Dr Paul; Harris, Dr Ariela Samuel-Lewis, Mr Kaldev Chaggar

1. Introducción

Una de las desventajas de las técnicas de soldadura por ola es que se acumulan cantidades sustanciales de escoria que se deben eliminar a intervalos y llenar el baño de soldadura de nueva soldadura virgen. Los análisis de la escoria revelan que consiste en una mezcla de óxidos y soldadura metálica, normalmente constituyendo en más de un 90% la última. La presencia del óxido con el que el metal no oxidado está inicialmente mezclado le previene de hecho reunirse con la soldadura en el baño.

Recientemente EVS International ha desarrollado una máquina para separar mecanicamente el metal sin reacción para que se pueda volver a hechar en el baño, y así reducir dramaticamente las cantidades de soldadura virgen que se deban comprar. La máquina opera volviendo a fundir la escoria, lo que es seguido de una comprensión mecánica contra una pared perforada, de manera que se exprima el metal líquido separándolo del componente sólido de óxido. Sin embargo, clientes en potencia de esta máquina han expresado cierta preocupación por si impuridades en la escoria pudieran devolverse al baño, lo que puede resultar en la necesidad de cambios más frecuentes en el baño.

El objetivo del presente trabajo es llevar a cabo estudios preliminares sobre la división de impuridades en el proceso de recuperación de soldadura de escoria.

2. Experimental

Para el propósito de este estudio un instrumento del sistema de recuperación de soldadura (EVS) se trajo a ITRI junto a un lote de escoria de un baño comercial. Dos lotes de escoria se procesaron y se recogieron la soldadura y residuos resultantes.

Para minimizar errores causados por la falta de homogeneidad en las muestras, los materiales se muestrearon perforando numerosos nucleos al azar por todas las muestras y combinando el swarf generado.

Las fracciones se analizaron usando espectromía de absorsión atómica, usando un instrumento Varian Spectra 10. La cantidad de óxido presente en la escoria se estimó volviendo a fundir una cantidad conocida bajo un exceso de flujo de cloruro de zinc de cloruro/amónico, y revolviéndolo hasta que todo el óxido se hubiera disuelto, antes de limpiar y volver a pesar.

Para estudiar la escoria y los residuos se usó microscopía de visualización radiográfica electrónica, usando un instrumento Jeol 5400 equipado con un sistema de microanálisis Link Pentafet de rayos X de energcia dispersiva (energy dispersive X-ray (EDX)). Las medidas de espectroscopía de rayos x fotoelectrónica (X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)) se realizaron usando un instrumento Kratos XSAM 800.

3. Resultados y Debate

La escoria contenía aproximadamente un 5% de óxido, siendo el resto metálico. El Proceso de Separación recuperó aproximadamente un 50% (en peso) de material como soldadura. Esto sugeriría que el residuo contendría aproximadamente 10% de óxido con el resto siendo metálico estaño-plomo. En esta ocasión la escoria se añadió fria. Se sobreentiende que se pueden obtener recuperaciones superiores colocando la escoria mientras está todavía caliente (presumiblemente porque se consigue una refundición más completa).

Exámenes preliminares del material inicial detectaron bajos niveles de cobre y hierro presentes, y para el propósito de este estudio se realizaron análisis de estos dos elementos en todas las muestras.

El Cuadro 1 muestra el resultado de los análisis. La cantidad de cobre presente no era excesiva, solo ligeramente por encima del máximo nivel que se especifica en muchos estándares de soldadura (por ejemplo, BS219 Grado KP Cu 0,08% max), aunque un número de fabricantes pone en le mercado soldaduras que contienen niveles mucho más bajos que éstos. Desafortunadamente no contábamos con una muestra del propio baño de soldadura, por lo que no es posible comentar cómo la pureza de la escoria se relaciona con la soldadura de la que se ha derivado. Parece que muy poca o ninguna división apareció entre las distintas fracciones.

Análisis XPS del material de óxido en polvo negro indicaron que era esencialmente óxido de estaño, y que no había evidencia de ninguna preferencia significativa de oxidación preferente de cobre y desde luego, dado que el óxido de estaño es más estable termodinamicamente que el de plomo o cobre, no se esperaría ninguna. En estas concentraciones el cobre estaría en solución sólida dentro de la soldodura, con cristales intermetálicos discretos solo apareciendo en concentraciones más elevadas. De aquí, y dado que la soldadura metálica es el mayor componente de los tres factores, no es quizá sorprendente que los tres tengan una composición similar. Esta situación podría cambiar si la concentración de cobre alcanzará 0,3 - 0,4%, punto en el que los cristales intermetálicos de cobre - estaño podrían empezar a aparecer (dependiendo de la temperatura del baño), y éstos podrían quedar atrapados preferencialmente en el residuo.

Interesantemente, las impuridades de hierro tendían a presentarse en los residuos más que en la soldadura recuperada. La razón por esta discrepancia todavía no está clara: puede ser debido a la inferior solubilidad del hierro en la soldadura (y de aquí que estuviera presente como cristales discretos de FeSn2 en lugar de en solución). Alternativamente podría haber estado presente como cualquier otra forma de material en partículas tal como óxido (bien debido a oxidación en el baño o a contaminación por partículas de corrosión). Estudios anteriores en el Instituto indicaron que contaminantes reactivos (por ejemplo, zinc, aluminio, etc) tendían a segregarse preferencialmente en la escoria. Dado que estarían presentes como sólidos (óxidos) parece probable que tales materiales tendieran a permanecer con los residuos en lugar de con la soldadura recuperada. Lo mismo también sería verdad de contaminantes adventicios en partículas, siempre que fueran indisolubles en el baño. Por otra parte, materiales más nobles, como cobre, oro o plata (que se disuelve facilmente en la soldadura fundida ), tenderían a permanecer en la solución y hacerse presentes en ambas facciones.

Bajo condiciones de equilibrio las siguiente reslaciones deberían mantenerse:

Wa = Wrj + Wrd

en la que Wa es el peso o impuridad añadida al baño en unidad de tiempo, Wrj es el peso de la impuridad extraida en las juntas del producto que pasa por el baño y Wrd el peso extraido en la escoria. Wrj y Wrd tienden a incrementar con el tiempo, a medida que la concentración de impuridades se acumula (asumiendo que un volumen constante de soldaura se está extrayendo en unidad de tiempo). Wa tenderá a disminuir con el tiempo, porque a medida que las concentracines de impurezas se acumulan el índice de disolución del tablero tenderá a disminuir. A la larga, ambas partes de la ecuación anterior se nivelarán y se establecerá un equilibrio (siempre que, desde luego, los índices de rendimiento del producto / extracción de escoria etc., se mantengan constantes).

El efecto del proceso de recuperación de escoria sería reducir Wrd y así dar paso a niveles más altos de equilibrio de los contaminantes. El punto primordial está en si el equilibrio se alcanzará a niveles tolerables de impuridad. Si la respuesta a esta pregunta es sí, la recuperación de soldadura ofrece una manera atractiva de minimizar costes. Si la respuesta es no, la siguiente pregunta sería cuánto tiempo se puede operar un baño antes de que sea necesario intervenir, y si la reducción en la vida del baño anula cualquier ventaja de coste del sistema de recuperación de soldadura. Desafortunadamente sin tener información referente a la magnitud de las variables bajo condiciones típicas de funcionameinto, no es posible hacer predicciones en este campo.

Referencias