РАСПЛАВЫ
3 • 2004
УДК 669.3:54-161
© 2004 г. К. Ю. Шмакова, Б. А. Баум, В. С. Цепелев, В. И. Ладьянов, Ю. Н. Акшенцев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОДГОТОВКИ РАСПЛАВА НА СЛУЖЕБНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АМОРФНЫХ ПРИПОЕВ
НА ОСНОВЕ МЕДИ
Изучены температурные зависимости вязкости сплава СТЕМЕТ 1101 на основе меди, используемого для получения аморфного припоя. Предложены новые опытные режимы выплавки и разливки данного сплава. Проведено изучение служебных характеристик лент, полученных по серийной и опытной технологиям.
Повышение служебных характеристик аморфных лент требует постоянного совершенствования технологии на основе систематического изучения их физических свойств. Так, исследование температурных зависимостей характеристик жидких амор-физующихся сплавов позволяет установить степень неоднородности расплава, оптимальные температуры нагрева металла в процессе его выплавки и разливки [1]. Применение новых технологий улучшает эксплуатационные характеристики лент.
В настоящей работе исследованы политермы кинематической вязкости V аморфного припоя СТЕМЕТ 1101. Данный аморфный припой применяют при создании облегченных тонкостенных элементов конструкций - сотовых панелей, теплообменников, сложных материалов с проникающим охлаждением (СПМ). Важнейшими преимуществами применения припоев в виде аморфных лент являются: исключение связующего материала при пайке, экономия массы припоя, отсутствие сопутствующих фаз; высокая прочность и пластичность аморфных лент припоев и малая толщина ленты позволяют выполнять сборку и пайку изделий сложной конфигурации. Возрастают простота и надежность монтажа изделий перед пайкой, повышается равномерность растекания припоя по швам, отсутствует сильноразвитая окисленная и адсорбирующая поверхность порошковых припоев, повышается качество и надежность паяного шва [2].
Рис. 1 иллюстрирует одну из типичных зависимостей v(t) для образцов состава СТЕМЕТ 1101, полученных методом крутильных колебаний тигля с расплавом [3]. Припой изготовлен на основе меди с добавками N1, Бп и Р. В нем возможны виды структур ближнего порядка, свойственные №Си3, Си3Р, Си4Бп и др. Обнаружено, что вязкость уменьшается при нагреве немонотонно. Политерма имеет участок аномального увеличения значений V в температурном интервале 1030-1060°С. Выявленное повышение вязкости составляет Дv/v = 10%, что значительно превышает погрешность измерения вязкости yt = ±0.8% [3].
Можно предположить, что в этом интервале температур происходят интенсивные структурные изменения, приводящие к росту сил вязкостного трения, и расплав гомогенизируется. Температура аномалии taн совпадает с температурой начала гистерезиса. Значения вязкости при охлаждении выше, чем при нагреве. Следовательно, структура охлаждаемого расплава, нагретого выше taн, отличается от той, которая возникает после расплавления, т.е. при охлаждении мы имеем более равновесный однородный раствор.
Рис. 1. Зависимость кинематической вязкости V от температуры t расплава СТЕМЕТ 1101.
• - нагрев, О - охлаждение.
Заметим, что при нагреве выше температуры аномалии политерма вязкости не выглядит строго монотонной, т.е. распад каких-то оставшихся упорядоченных структур еще продолжается. Однако для многих прикладных задач при подготовке расплава к аморфизации достаточно рекомендовать его нагрев лишь до 1060°С.
Изучены временные зависимости вязкости при разных температурах. Исследования подтвердили, что для образцов этого припоя длительные изотермические выдержки при г < ?ан не способствуют переходу расплава в состояние равновесия.
На основании анализа политерм вязкости предложены рекомендации по температурным режимам подготовки расплавов к закалке: температура нагрева перед разливкой составляет не меньше 1060°С, температура разливки на охлаждаемую поверхность - порядка 640°С.
На предприятии МИФИ-АМЕТО на основании предложенных рекомендаций выполнены опытные плавки для данного припоя. Здесь же проведены испытания микротвердости паяного шва, полученного с использованием аморфного и кристаллического припоев.
Исследования показали, что микротвердость шва, полученного с использованием аморфного припоя, составляет в среднем 2800 Н/мм2, а шва, полученного с использованием кристаллического припоя - 2000 Н/мм2. Таким образом, свойства шва, паянного аморфным припоем, лучше свойств паяного соединения, полученного с помощью кристаллического припоя.
В Физико-техническом институте УрО РАН г. Ижевска в лаборатории аморфных сплавов выполнен дифференциально-термический анализ образцов аморфного припоя, полученного по серийной (нагрев расплава ниже 1060°С) и опытной технологиям. ДТА показал, что кристаллизация обоих образцов имеет двустадийный характер. И первая, и вторая стадии протекают при одинаковых температурах: 200 и 260°С. При этом установлено, что тепловыделение аморфного сплава, полученного по опытному режиму, отличается от серийного сплава: выделение тепла в первой стадии одинаково, а во второй у опытного сплава на 20% больше.
Это свидетельствует о том, что образец, полученный по опытной технологии, обладает большей степенью беспорядка (аморфности). Следствием этого является малое количество центров кристаллизации и большее тепловыделение при кристаллизации.
В Институте физики металлов УрО РАН проведены испытания на растяжение тех же самых образцов аморфных припоев, полученных по разным технологиям.
76
К.Ю. Шмакова, Б.А. Баум, В.С. Цепелев и др.
Рис. 2. Зависимость абсолютного А1 удлинения от нагрузки Р припоя СТЕМЕТ 1101, полученного по серийной (а) и опытной (•) технологиям.
(Для наглядности кривые смещены относительно начала координат на 5 мм).
Испытания проводили на микромашине СНЕУЕКЛЯБ М134. Разрывные образцы в виде ленты имели размеры 30 х 5 х 0.04 мм. Для их закрепления в машине были изготовлены специальные захваты и кондуктор, позволяющий осуществлять центрирование образцов строго по линии растяжения. Скорость растяжения составляла 11 мм/мин. Использовали два типа нагрузочных шин. На рис. 2 показаны результаты растяжения при нагрузке 50 кг. Запись зависимостей "нагрузка - абсолютное удлинение" велась оптическим способом. Погрешности измеряемых параметров для данной микромашины составляют АР = ±0.1 кг, А1 = ±0.01 мм.
Анализ кривых Р - А1 показывает, что аморфные ленты, полученные по опытной технологии при прочих равных условиях, выдерживают более высокие нагрузки при растяжении. Кроме того, кривые растяжения этих же образцов демонстрируют более высокую стабильность результатов. Это может свидетельствовать о более однородной структуре материала. Все образцы разрушаются хрупко. Абсолютное удлинение зафиксировано в пределах 0.4-0.5 мм.
Выводы. 1. Изучены температурные зависимости вязкости сплава СТЕМЕТ 1101 на основе меди, используемого для получения аморфного припоя. 2. По результатам исследования предложены новые температурные режимы получения данного припоя. 3. Проведено изучение некоторых характеристик аморфных лент, полученных по опытной и серийной технологиям. Дифференциально-термический анализ аморфных припоев показал, что тепловыделение при кристаллизации аморфной ленты, полученной по опытной технологии, на 20% больше, чем для ленты серийной технологии. Испытания на растяжение этих же образцов выявили, что аморфные ленты, полученные по опытной технологии при прочих равных условиях, выдерживают более высокие нагрузки при растяжении.
Работа выполнена в рамках гранта Минобразования РФ № Т 02-06.2-3305.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Б а ум Б.А., Хасин Г.А., Тя гунов Г.В. и др. Жидкая сталь. - М.: Металлургия, 1984. -206 с.
2. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических расплавов. - М.: Металлургия, 1986. - 176 с.
3. Тягунов Г.В., Цепелев В.С., Кушнир М.Н. и др. Установка для измерения кинематической вязкости металлических расплавов. - Завод. лабор., 1980, < 10, 46, с. 919.
Уральский государственный Поступила в редакцию
технический университет - УПИ 19 сентября 2003 г.,
Екатеринбург в окончательном варианте
23 октября 2003 г.
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.