РАСПЛАВ Ы
1 • 2013
УДК 669.01
© 2013 г. О. А. Чикова, М. А. Витюнин1, Г. В. Овчинников, А. Н. Константинов
РАССЛОЕНИЕ РАСПЛАВОВ Си-10 мас. % 8п ПРИ СМАЧИВАНИИ ПОВЕРХНОСТИ СТАЛИ Ст3
Проведено вискозиметрическое исследование структурного состояния расплава Си—10 мас. % Бп. Изучены температурные и временные зависимости краевого угла смачивания и диаметра пятна смоченной поверхности при растекании расплава Си-10 мас. % Бп по поверхности стали Ст3. Средствами оптической микроскопии проведен качественный и количественный металлографические анализы строения твердофазных соединений, полученных в результате взаимодействия расплава Си-10 мас. % Бп с поверхностью стали Ст3 в условиях смачивания.
Ключевые слова: вискозиметрия, краевой угол смачивания, диаметр пятна смоченной поверхности, металлографический анализ строения твердофазных соединений.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение взаимодействия расплава Си-10 мас. % Бп с поверхностью стали Ст3 актуально для разработки новых технологий пайки стальных изделий. В последние годы пайке бессвинцовыми припоями уделяется пристальное внимание. Это связано с призывом экологов к запрету использования свинца в массовом производстве. Для пайки без свинца часто используют сплавы олова с медью, как правило, с содержанием меди до 10 мас. % [1]. Настоящая работа посвящена установлению закономерностей взаимодействия поверхности стали Ст3 с расплавом припоя Си-10 мас. % Бп в широком температурном интервале, изучению строения и фазового состава получаемых твердофазных соединений.
На основе анализа результатов многочисленных экспериментов с металлическими расплавами [1-3] показано, что перегрев металлической жидкости до определенных для каждого состава температур Т* при последующем охлаждении и кристаллизации даже с умеренными скоростями (порядка 1-10 град/с) приводит к существенному изменению строения и фазового состава литых образцов. С целью совершенствования технологии производства припоя Си-10 мас. % Бп авторы эмпирически определяют температуру необратимого изменения структуры жидкого металла Т* и исследуют связь перегрева данного расплава до температур, превышающих Т* с микроструктурой слитка, формирующегося при последующем охлаждении и кристаллизации жидкого металла. Затем выясняют влияние гомогенизации слитка припоя Си-10 мас. % Бп на скорость его растекания по поверхности стали Ст3 в условиях пайки и исследуют особенности строения и фазового состава паянных соединений. Таким образом, на основе информации о необратимых изменениях в структуре металлической жидкости предлагаются новые варианты подготовки расплавов припоя Си-10 мас. % Бп к литью и кристаллизации - температурно-временная обработка (ТВО) расплава [4, 5].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследовали влияние ТВО расплава на строение и фазовый состав образцов Си-10 мас. % Бп. Авторы определили Т* и провели сравнительный металлографический
1№та32189@Ък.ги.
с
Рис. 1. Температурные зависимости кинематической вязкости расплава Си—10 мас. % 8п.
анализ микроструктур двух партий образцов сплава Си—10 мас. % $п, полученной по традиционной технологии и с перегревом расплава выше Т*. Об изменениях в структуре расплава Си—10 мас. % $п судили по результатам вискозиметрического исследования и дифференциального термического анализа (ДТА) образцов [1, 2]. Температуру Т*, отвечающую необратимому изменению структурного состояния расплава, определяли по началу высокотемпературного совпадающего участка температурных зависимостей кинематической вязкости данного расплава (рис. 1).
Кинематическую вязкость расплава измеряли методом затухающих крутильных колебаний тигля с жидким металлом в режиме нагрева и последующего охлаждения образца. Измерения проводились в инертной атмосфере. Рабочую камеру предварительно вакуумировали до 0.001 Па. Затем запускали гелий до давления примерно 105 Па. Образцы выплавляли непосредственно в установке в тиглях из ВеО. Масса шихты составляла 19—20 гр. Шихту предварительно расплавили, после чего кристаллизовали, затем приступали непосредственно к измерению вязкости расплавов Си—10 мас. % $п. Измерения проводили с шагом 20°С. Изотермические выдержки в точках отсчета составляли не менее 15 мин. Погрешность определения значений вязкости не превышала 3%. В измерениях использовали установку, описанную в работе [6].
Измерения ДТА выполнены с помощью высокотемпературного дифференциального термоанализатора ВДТА-8М3, который позволяет определять температуры фазовых переходов в интервале температур от комнатной до 2000°С, с различными скоростями нагрева и охлаждения (2.5°С/мин и 5, 10, 20, 40, 80°С/мин). Эти температуры определяются как точки пересечения нулевой линии термограммы (ДГ = 0) с продолжением прямолинейных участков эндо- и экзотермических пиков. В опытах использованы образцы весом около 1 г.
В данной работе ДТА был выполнен при скорости нагрева и охлаждения 40°С/мин. В качестве эталона был использован зонно-очищенный монокристалл вольфрама. Точность определения значений температур, отвечающих критическим точкам, составляет ±3°С. Подробно описание установки дано в работах [7, 8]. Определяли диаметр пятна смоченной поверхности и краевых углов смачивания поверхности меди М0К расплавом Си—10 мас. % $п по стандартной методике лежащей капли [9, 10] в условиях совместного нагрева образца и подложки.
Образцы для опыта предварительно сплавляли из чистых компонентов в закрытой муфельной печи сопротивления при 1000°С в течение 30 мин. Исходными материалами служили металлы высокой степени чистоты: медь марки М0К и олово марки 0ВЧ-000. В качестве подложек использовали диски из стали Ст3. Подложки из стали
тщательно полировали и шлифовали. Сплавление исходных образцов и измерения краевых углов проводили в атмосфере гелия. Рабочую камеру предварительно вакуу-миовали до 0.001 Па. Затем запускали гелий до давления примерно 105 Па. Углы смачивания © измеряли в режиме последовательного ступенчатого нагрева от 600 до 1100°С с выдержкой при каждой температуре 20 мин, съемку профиля капли проводили через каждую минуту. Достаточность такой выдержки подтверждается как выполненными ранее [9], так и нашими исследованиями [10] скоростей растекания жидких металлов по поверхности твердых тел. Профиль исследуемой капли снимали цифровой фотокамерой с копированием изображения на компьютер, угол смачивания определяли с помощью программы анализа изображений Б1АМБ 600 с точностью 0.3—0.6 град. Признаки испарения расплава, уменьшения объема капли не наблюдались. Случайная погрешность определения краевого угла © не превышала 3% при доверительной вероятности р = 0.95. Во всех экспериментах для измерения температуры использовали воль-фрам-рениевую термопару ВР5/20 с погрешностью измерений ±3°, что значительно меньше шага по температуре, равного 20°.
Микроструктуру образцов изучали традиционными методами. Использовали микроскоп "№орЬо1-32", снабженный системой автоматического анализа изображения Б1АМБ 600, бинокулярный микроскоп МБС-9. Макротвердость определяли на приборе Бринель (вдавливание шарика 0 = 10 мм, нагрузка 1000 кг), для измерения микротвердости отдельных структурных составляющих применялся прибор ПМТ-3 при нагрузках 0.2—0.5 Н. Металлографические характеристики: объемную долю фаз, средний размер зерна, средний размер отдельных составляющих (первичных кристаллов) и их микротвердость — определяли по стандартным методикам.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результат измерения вязкости расплава Си—10 мас. % Бп представлен на рис 1. Измерения проводили в интервале от Тлик до 1350°С в режиме нагрева и последующего охлаждения образца. Обнаружено расхождение температурных зависимостей вязкости этого расплава, отвечающих режимам нагрева и последующего охлаждения образца, в интервале от Тлик до 1200°С. Таким образом, Т*, отвечающая необратимому изменению структурного состояния расплава Си—10 мас. % Бп, составляет 1200°С.
Проведено металлографическое исследование структур двух партий образцов сплава Си—10 мас. % Бп, полученной по традиционной технологии и с перегревом расплава выше Т*. Исследуемые сплавы характеризовались разными температурами перегрева жидкого металла: 1100 и 1360°С.
Сплав Си—10 мас. % Бп по химическому составу относится к оловянным бронзам [11]. Согласно стабильной диаграмме состояний системы Си—Бп [11], растворимость олова в меди достигает 10.1 мас. % уже при 250°С. Фаза (Си) кристаллизуется из жидкости в интервале 1084.87—798°С при содержании до 15 ат. % Бп по линии ликвидуса. В интервале температур 798—586°С существует фаза р. При 586°С эта фаза претерпевает эвтектоидный распад на фазы (Си) и у (существует в интервале 755—520°С). При 520°С фаза у распадается по эвтектоидной реакции. При 582°С также имеет место эвтектоидный распад на фазы б и 8. Фаза 8 имеет узкую область гомогенности в интервале 590—350°С и при 350°С распадается по эвтектоидной реакции на фазы (Си) и б.
Измерения показали, что макротвердость гомогенизированного в жидком состоянии образца на ~25% меньше, чем для негомогенизированного (70 и 93 НВ соответственно), несмотря на более мелкое зерно и увеличенную долю эвтектоида в первом. Микроструктура обоих исследованных образцов идентична. Как указано выше, согласно стабильной диаграмме состояния оловянные бронзы этого состава относятся к двухфазным сплавам. Для них характерен широкий температурный интервал кристаллизации, склонность к дендритной ликвации и значительная растворимость олова в
твердом состоянии. Структура исследуемых бронз представляет а-твердый раствор дендритного строения (твердый раствор Бп в Си) с неравномерным распределением компонента вследствие дендритной ликвации (рис. 2а, 3в) и эвтектоида (а + 8) тонкопластинчатых морфологий (рис. 2б и 3б); 8-фаза - это соединение Си31Бп8 [11]. Однако, несмотря на идентичность структурных составляющих, имеет место и отличие (табл. 1). В гомогенизированном в жидком состоянии слитке дендриты а-фазы имеют сферолитоподобный вид (рис. 3в), здесь встречается структурная неоднородность и в эвтектоидных прослойках, а именно наблюдаются псевдопервичные одиночные выделения 8-фаз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.