ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 6, с. 95-99
УДК 621.791.3
СМАЧИВАНИЕ РАСПЛАВАМИ ОЛОВО-СВИНЕЦ ПОВЕРХНОСТИ АЛЮМИНИЯ И МЕДИ
© 2015 г. Д. А. Камболов1, А. З. Кашежев2, Р. А. Кутуев3, П. К. Коротков1, 2, А. Р. Манукянц1, М. Х. Понежев2, В. А. Созаев1, 2*
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (Государственный технологический университет),
362021 Владикавказ, Россия 2Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова, 360004 Нальчик, Россия 3Чеченский государственный университет, 364907Грозный, Россия *Е-таИ: sozaejf@mail.ru Поступила в редакцию 07.10.2014 г.
Приводятся политермы углов смачивания расплавами олово—свинец поверхности алюминия и меди, обнаружены пороги смачивания. На основе исследований морфологии поверхности уточняется механизм смачивания алюминия и меди жидким оловом с малыми добавками свинца.
Ключевые слова: растровая электронная микроскопия, расплавы $п—РЬ, политермы углов смачивания алюминия и меди
Б01: 10.7868/80207352815040101
ВВЕДЕНИЕ
В электронике широко используются свинцо-во-оловянные припои, поверхностные свойства которых изучены достаточно подробно [1]. На изотермах поверхностного натяжения в области малых концентраций свинца обнаруживаются осцилляции поверхностного натяжения [2]. Однако влияние малых добавок свинца на величину угла смачивания расплавами 8п—РЪ алюминия и меди изучено недостаточно. В работе [3] показано, что жидкий свинец смачивает медь, первоначальный контактный угол составляет 78°, в течение 5 мин он достигает нулевого значения. Жидкое олово растекается значительно медленнее, нулевой контактный угол образуется за 10 мин. Сплавы РЪ + 8п, содержащие 5—10 мас. % 8п, растекаются значительно быстрее, чем чистые компоненты, при этом время полного растекания составляет 2—3 мин. С увеличением содержания 8п до 20 мас. % скорость растекания уменьшается. Микрорентгеноспектраль-ные исследования системы Си—(РЪ + 20 мас. % 8п), проведенные в работе [3], позволили определить диффузионную зону для олова, которая составляет 10 мкм. Основной фазой является а-твердый раствор олова в меди с включениями кристаллов интерметаллида Си318п8 в виде пирамид, которые легированы свинцом до 6 мас. % РЪ. Отмечается укрупнение зерен интерметаллической фазы вблизи границы контакта с жидким сплавом РЪ + + 20 мас. % 8п.
В работе [4] представлены результаты экспериментального исследования поверхностных свойств эвтектического сплава олово—алюминий.
Исследованы температурные зависимости углов смачивания пластин из алюминия и алюминий-литиевого сплава жидким оловом и эвтектикой олово—алюминий. Обнаружены пороги смачивания при температуре свыше 765 К. На политермах углов смачивания оловом и расплавом (8п—Л1)эвт сплава Л1 + 4 ат. % Ы обнаружены пороги смачивания при температуре в интервале 810—820 К и Т = 765 К соответственно. При смачивании сплава Л1 + 4 ат. % Ы эвтектическим расплавом системы 8п—Л1 наблюдается образование игольчатых структур, которые, видимо, и сдерживают смачивание подложек на начальном этапе наряду с оксидными пленками на поверхности капель расплавов.
В настоящей работе изучаются политермы углов смачивания расплавами 8п—РЪ алюминия и меди, а также морфология поверхности подложек после смачивания.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Сплавы 8п—РЪ готовились в физико-техническом институте низких температур им. Б.И. Вер-кина (г. Харьков, НАН Украины) в стеклянных ампулах в атмосфере гелия из олова чистотой 99.9995 и свинца 99.9999 мас. % соответственно. В процессе плавки расплав интенсивно перемешивался, затем закристаллизовывался. Получившийся слиток далее использовался для приготовления образцов. Капля исследуемого вещества подавалась через кварцевую воронку с вытянутым капилляром. Перед началом опытов в рабочую камеру высокотемпературной установки с
96
КАМБОЛОВ и др.
150
120
ч
св
р
1-е
90
60
600
700
800 900 T, K
1000
1100
Рис. 1. Политермы угла смачивания сплавом Pb— 10.6 мас. % Bi стали ЭК-173: черные ромбики — обмер в среде CorelDraw, светлые ромбики — обмер с помощью программы ImageJ.
водоохлаждаемым корпусом напускался гелии, затем проводилась откачка до давления 0.01 Па. При заданной температуре капля выдерживалась 5 мин, интервал между последовательными снимками составлял 1—2 мин. Углы смачивания изучались методом лежащей капли [5].
Снимок экваториального сечения капли на подложке в более ранних исследованиях [6] передавался на персональный компьютер и обрабатывался при помощи приложения CorelDraw. В настоящей работе метод лежащей капли для измерения угла смачивания применялся с использованием нового программного подхода к определению угла смачивания по параметрам фотографии капли. Этот подход реализован при помощи приложения
ImageJ [7], свободно распространяемого Швейцарским федеральным институтом технологии (bigwww.epfl.ch/demo/dropanalysis). Данное приложение является одним из эффективных инструментов обработки любых изображений, получаемых в различных физических, химических и технологических опытах. Оно содержит множество опций по фильтрации изображения, выделения контуров, четкости, резкости, фурье—преобразования и т.д. Однако для определения угла смачивания в программу необходимо загрузить две подпрограммы: DropSnake и LB-ADSA, соответственно, для случаев 9 > 90° и 9 < 90°.
На рис. 1 продемонстрированы результаты обмера угла смачивания 9 двумя описанными выше методиками, приводятся политермы угла смачивания подложки из реакторной стали ЭК-173 расплавом свинца с небольшими добавками висмута (до 10.6 мас. %) [8]. Из рис. 1 видно, что оба метода дают одинаковые (в пределах ошибок измерений) результаты для угла смачивания 9.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Результаты исследований показали (рис. 2—5), что на политермах наблюдаются пороги смачивания. Смачивание алюминия чистым оловом начинается при температуре выше 700 K. Добавки свинца смещают температуру резкого снижения углов смачивания 9 в область более низких температур. Температура порога смачивания максимальна для чистого олова.
Для уточнения механизма смачивания методом растровой электронной микроскопии была выбрана алюминиевая подложка. На рис. 4 дано ее изображение до растекания капли. На рис. 4а видно, что перед растеканием наблюдается пред-
160
120
д
св
р
1-е
80
40
Sn—0.6 ат % Pb на Al ;-Sn на Al Pb на Al -*-Sn-1.0 ат. % Pb на Al -▼-Sn-0.1 ат. % Pb на Al -♦-Sn-0.2 ат. % Pb на Al
_I_I_i_
500
600
700
800 T, K
4
900
1000
150
120
ад р
90
60
30
ttt-l
550
* ti t
600
w
Iii \ \'
i
Sn-Pb на Cu Pb
Sn-1.0 ат. % Pb Sn-0.6 ат. % Pb Sn-0.2 ат. % Pb ■ Sn-0.1 ат. % Pb Sn
X
V
A
650 700 T, K
750
800
Рис. 2. Политермы углов смачивания алюминия расплавами олово-свинец.
Рис. 3. Политермы углов смачивания меди расплавами олово-свинец.
0
Рис. 4. Фотография границы подложки алюминия, смачиваемой расплавами 8п—РЪ: а — снимок границы подложка алюминия—расплав 8п—РЪ 0.6 ат. % при увеличении х3000; б — снимок границы подложка алюминия—расплав 8п—РЪ 0.2 ат. % при увеличении х 15000.
варительное распространение припоя вдоль микроцарапин и границ зерен алюминия. Атомы, находящиеся на этих границах, обладают избыточной энергией, поэтому при высоких температурах возможно более интенсивное растворение межзе-ренных границ, вдоль которых предварительно растекается оловянный расплав. При этом припой растворяет в себе напряженные участки границ зерен алюминия, а затем закристаллизовыва-ется в виде дендритных структур микрометрового масштаба (рис. 4б). Таким образом, перед фронтом жидкой капли припой, распространяющийся вдоль границ раздела, образует "сетку", которая при критической температуре, наряду с разрушением оксидной пленки на поверхности капли, способствует растеканию расплава по поверхности алюминия. Подобный механизм смачивания уже рассматривался в работе [9], например, при распространении галлия или ртути по поверхности цинка. Однако дендритные структуры вдоль "канавок" растекания обнаружены, насколько нам известно, впервые.
На рис. 3 показаны политермы углов смачивания расплавами олово—свинец поверхности меди. При этом также наблюдается порог смачивания. Более низкая температура (~675 К) начала смачивания наблюдается у чистого олова и расплавов 8п—РЪ с малой концентрацией свинца. С увеличением концентрации свинца температура резкого снижения углов смачивания смещается в область более высоких температур, и наибольшая достигается у чистого свинца. С помощью растровой электронной микроскопии изучалась зона
растекания припоя (рис. 5), на поверхности которого образовались микроструктуры в виде пирамид. Подобные пирамиды наблюдались и в работе [3] при изучении смачивания меди расплавами РЪ—8п и фазообразования в антифрикционных
Рис. 5. Фотография зоны растекания расплава 8п—РЪ 0.6 ат. % по меди.
98
КАМБОЛОВ и др.
4000 -
3000
н о
О
2000
1000
20
(Cu32Sn)e.12
\
Sn Sn
/
(Su-Cu) Sn
(Cu32Sn)0.12
(Cu32Sn)0.12
(Su-Cu)
Sn Sn
30
40 50
29, град
60
(Su-Cu) Sn
_I_
70
.Cu
/
Sn
80
Рис. 6. Дифрактограмма оловянной пленки, закристаллизовавшейся на меди.
композиционных медно-свинцово-оловянных сплавах, полученных методом порошковой металлургии.
Если размер ребра пирамиды равен а, то можно показать, что объем образований (имеющих вид /2 3
октаэдра) V = — a , и при а = 2 мкм, V ~ 1/9 мкм3. 6
Возможно, рост микропирамид сдерживает дальнейшее смачивание меди расплавами олово—свинец. При Т = 800 K значение угла смачивания 9 « 30°.
На рис. 6 показаны результаты рентгенофазо-вого анализа на длине волны 1.5406 нм пленок
олова на меди. Расшифровка данных анализа (спектрометр МАКС^У) представлена в таблице, из которой видно, что при взаимодействии олова с медью образуются соединения (Си32Бп)012 кубической системы ¥ш3ш, с периодом решетки а = 3.639 нм.
ВЫВОДЫ
Изучены политермы углов смачивания алюминия расплавами олово—свинец. При температуре выше 700 K обнаруживаются пороги смачивания. С добавлением к олову малого количества
Результаты рентгенофазового анализа (1 = 1.5406 нм) при взаимодействии олова с ме
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.