Index of /rozprawy2/10933

Pełen tekst

(1)INSTYTUT METALI NIEŻELAZNYCH w GLIWICACH Zakład Materiałów Funkcjonalnych. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie WYDZIAŁ METALI NIEŻELAZNYCH. ROZPRAWA DOKTORSKA mgr inż. Marcin Karpiński „Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych na bazie srebra”. Promotor: prof. dr hab. inż. Maria Richert. Kraków 2015.

(2) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Pragnę podziękować wszystkim, bez których niniejsza praca nie mogłaby powstać. Przede wszystkim Pani Profesor Marii Richert za wszelką pomoc udzieloną w czasie dotychczasowej współpracy, zwłaszcza za cenne uwagi merytoryczne oraz poświęcony czas. Składam serdeczne podziękowania dr inż. Stanisławowi Księżarkowi za cenne uwagi i sugestie w trakcie realizacji pracy. Dziękuję Pani dr hab. Aleksandrze Kolano-Burian, za wsparcie, sugestie oraz wyrozumiałość w połączeniu pracy doktorskiej oraz mojej pracy zawodowej. 2.

(3) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Spis treści Wstęp ............................................................................................................................................ 2 1.Stan zagadnienia ........................................................................................................................ 3 1.1 Spoiwa do łączenia węglików spiekanych ze stalą ................................................................. 3 1.1.1 Lutowanie .................................................................................................................... 3 1.1.2 Zjawiska zachodzące na styku spoiwo-podłoże ........................................................... 3 1.1.3 Budowa i właściwości lutowanego złącza ................................................................... 9 1.1.4 Rodzaje spoiw ............................................................................................................ 10 1.1.5 Spoiwa warstwowe- metody łączenia spoiwa z podłożem ........................................ 12 1.2 Struktura spoiw do łączenia węglików spiekanych ze stalą.............................................. 16 1.2.1 Spoiwa do lutowania twardego na bazie srebra ......................................................... 16 1.2.2 Skład fazowy spoiw ................................................................................................... 16 1.2.3 Właściwości mechaniczne spoiw ............................................................................... 17 1.3 Zastosowanie w przemyśle spoiw na bazie srebra ............................................................ 17 1.4 Lutowanie płytek z węglików spiekanych ........................................................................ 18 2 Cel i teza pracy......................................................................................................................... 19 3. Badania własne ....................................................................................................................... 20 3.1 Metodyka badań ................................................................................................................ 20 3.1.1 Zastosowana metoda spajania .................................................................................... 20 3.1.2 Lutowanie stali oraz węglików spiekanych ............................................................... 21 3.1.3 Zastosowane metody badań struktury i właściwości mechanicznych ....................... 21 3.2 Wyniki badań własnych .................................................................................................... 25 3.2.1 Określenie rodzajów wad podczas wytwarzania spoiw warstwowych. ..................... 25 3.2.2 Badanie właściwości mechanicznych stopów Ag38MnNi oraz BAg-22................... 26 3.2.3 Mikrostruktura Ag38MnNi i BAg-22 ........................................................................ 29 3.2.4 Analiza fazowa........................................................................................................... 31 3.2.5 Badanie rozpływności ................................................................................................ 38 3.2.6 Badania kalorymetryczne ........................................................................................... 39 3.2.7 Badania termowizyjne ............................................................................................... 41 3.2.8 Próby tłoczności metodą Erichsena oraz próby przeginania...................................... 44 3.2.9 Próba ścinania złączy lutowanych zakładkowo ......................................................... 46 3.2.10 Wykonanie złącza stal-lut warstwowy -węglik........................................................ 46 3.2.11 Analiza złącz za pomocą TEM ................................................................................ 65 4. Opracowanie technologii wytwarzania spoiwa warstwowego Ag38MnNi ............................ 77 5. Dyskusja wyników .................................................................................................................. 80 6. Wnioski ................................................................................................................................... 84 Literatura ..................................................................................................................................... 85. 1.

(4) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Wstęp Tematyka niniejszej pracy poświęcona jest procesowi wytwarzania spoiw warstwowych na bazie srebra w aspekcie zarówno techniczno-technologicznym jak również ekonomicznym. Prace nad opracowaniem i wdrożeniem technologii wytwarzania spoiw warstwowych rozpocząłem w 2007r w Zakładzie Przetwórstwa Metali Inmet IMN. Pierwsze próby objęły spoiwa w gatunku BAg-3 oraz BAg-24. Zakończone zostały sukcesem i już rok później pierwsza partia lutu została sprzedana. Odbiorcy zagraniczni głownie zainteresowali się lutem BAg-22 (Ag-49%, Cu-16%, Zn23%, Mn-7,5%, Ni-4,5%) wg normy AWS A5.8-92 „Specification for filler metals for brazing and braze-welding”. Z uwagi na wysoką zawartość manganu i niklu przeróbka plastyczna zarówno na zimno jak również na gorąco sprawiała problemy technologiczne szczególnie z uwagi na niski około 50% uzysk procesu wytwarzania. Najważniejszym wyzwaniem było opracowanie technologii łączenia warstwy lutu z miedzią. Podjęto szereg prac badawczo-rozwojowych w celu rozwiązania problemów łączenia pakietów na drodze platerowania i walcowania na gorąco. Pomimo sukcesów w wytwarzaniu lutu przekładkowego BAg-22/Cu/BAg-22, z uwagi na powstające wady, uzysk procesu nie przekroczył 50%. W przypadku spoiwa BAg-22 odpady mogły być zawrócone do ponownego procesu, natomiast przetop odpadów z lutu przekładkowego (głównie w proporcjach 1:2:1) powodował wytworzenie stopu o wysokiej zawartości miedzi około 70%. W związku z powyższym nie można było wykorzystać wszystkich odpadów ponownie. Jednym z celów niniejszej pracy było poprawa procesu do poziomu 75% uzysku. Cena srebra w okresie dziesięciu lat wzrastała okresowo nawet o 700%. Spowodowało to rozpoczęcie prac nad stopami o obniżonej zawartości srebra przy zachowaniu parametrów użytkowych. Analitycy szacują wzrost ceny srebra o kolejne 300-500% do roku 2020r. Światowi liderzy w produkcji spoiw w związku z powyższym rozpoczęli pracę nad nowymi stopami o mniejszej zawartości srebra, przy zachowaniu podobnych parametrów użytkowych. Największy postęp został osiągnięty przez firmę Brazetec. Wprowadzono na rynek grupę spoiw nazwanych Bluebraze®. W niniejszej pracy wykonano modyfikacje składu chemicznego stopu BAg-22 zmniejszając zawartość srebra o 11%. Przeprowadzono zarówno badania stopów BAg-22 (klasyczny) oraz AG38MnNi (zmodyfikowany), opracowano technologię wytwarzania ww. spoiw, wykryto źródła problemów występujących podczas produkcji eliminując wady procesu, znacznie poprawiając parametry wytwarzania. Zaproponowano nowy skład chemiczny spoiwa redukując zawartość srebra i obniżając koszty materiałów dla odbiorców.. 2.

(5) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. 1.Stan zagadnienia Węgliki spiekane i stale konstrukcyjne w budowie narzędzi są często wykorzystywane jako para materiałów poddawanych procesom łączenia. Związane jest to głównie z kosztem wytworzenia węglików oraz ich kruchości. Łączenie tych materiałów, o zróżnicowanych właściwościach fizykochemicznych, stwarza wiele problemów. Stąd poszukiwane są nowe materiały stosowane jako luty, nowe technologie ich wytwarzania oraz sposoby spajania. 1.1 Spoiwa do łączenia węglików spiekanych ze stalą 1.1.1 Lutowanie Lutowanie jest procesem polegającym na łączeniu metali i ich stopów, tworzyw ceramicznych i kompozytów o osnowie metalicznej lub ceramicznej za pomocą dodatkowego, roztopionego metalu, zwanego spoiwem bądź lutem, którego temperatura topnienia jest znacznie niższa od temperatury topnienia metali łączonych[1-3]. Proces lutowania obejmuje kilka etapów: przygotowania powierzchni łączonych, nagrzania ich do temperatury zbliżonej do temperatury topliwości spoiwa, nałożenia topnika, roztopienia lutu i wprowadzenia go pomiędzy łączone powierzchnie, wzajemnej dyfuzji łączonych materiałów i ciekłego lutu oraz ochłodzenia i krzepnięcia lutowiny. Podstawowym warunkiem otrzymania prawidłowego połączenia lutowanego dwóch metali lub metalu z ceramiką jest przede wszystkim właściwy dobór spoiwa [12-14]. Ogólne wymagania stawiane lutom są następujące[2,16]:  Temperatura topnienia spoiwa musi być niższa od temperatury lutowanych metali,  Lut powinien dobrze zwilżać powierzchnie łączonych elementów,  Właściwości fizyko-chemiczne spoiwa w stosunku do metali łączonych powinny zapewnić tworzenie się na granicy styku roztworów stałych i faz międzymetalicznych,  Spoiwo w stanie roztopionym powinno wykazywać dobrą lejność,  Zakres temperatury krystalizacji nie powinien być zbyt duży,  Spoiwo powinno odznaczać się dostateczną wytrzymałością mechaniczną i plastycznością,  Współczynniki rozszerzalności cieplnej spoiwa i materiałów łączonych powinny być zbliżone do siebie,  Spoiwa i materiały łączone powinny wykazywać podobną odporność na korozję,  W stanie ciekłym spoiwo powinno być odporne na utlenianie. W zależności od przeznaczenia lutowanych elementów spoiwa powinny odznaczać się dobrą przewodnością elektryczną i skrawalnością, odpornością na działanie różnych substancji chemicznych, nie mogą zawierać składników szkodliwych dla zdrowia lub tworzących szkodliwe związki, barwa spoiwa powinna być zbliżona do barwy metali łączonych [1,16]. 1.1.2 Zjawiska zachodzące na styku spoiwo-podłoże Struktura złącza wytworzonego za pomocą lutowania jest wynikiem procesów fizykochemicznych zachodzących między materiałem podstawowym a spoiwem i składa się z :  materiału podstawowego, 3.

(6) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych….   . strefy dyfuzyjnej, w której podczas lutowania zachodzą procesy wymiany składników stopowych materiału podstawowego i spoiwa, lutowiny-przetopionego i skrystalizowanego spoiwa, strefy centralnej, w której mogą się koncentrować, niekorzystne ze względu na właściwości złącza, niskotopliwe składniki fazowe spoiwa, jeżeli takie w nim występują [2]. Trwałość lutowanego połączenia w dużym stopniu zależy od zdolności do tworzenia połączeń metalurgicznych spoiwa z łączonymi powierzchniami materiałami lutowanych, co z kolei uzależnione jest od zdolności zwilżania, tj. pokrywania powierzchni lutowanych części cienką, równomierną i nieprzerwaną powłoką spoiwa[1,2]. Warunkiem zwilżania jest by siły przyciągania między cząsteczkami ciekłego spoiwa, a cząsteczkami lutowanych materiałów (zwanymi siłami adhezji) były większe od sił spójności pomiędzy cząsteczkami ciekłego spoiwa (zwanymi siłami kohezji) [5]. Siły spójności działające między cząsteczkami cieczy ujawniają się jedynie na powierzchni jej styku z otaczającymi gazami, ponieważ tylko tam siły, jakimi na daną cząsteczkę cieczy działają cząsteczki sąsiednie, nie równoważą się wzajemnie. Siły spójności składają się na wypadkową, powodując ciśnienie warstwy powierzchniowej na leżące pod nią warstwy wewnętrzne tak, że przeniesienie cząsteczki cieczy z wewnątrz na jej powierzchnię wymaga wykonania pewnej pracy. Znajdujące się w warstwie powierzchniowej cieczy cząsteczki mają pewien zasób energii potencjalnej, zwaną energią powierzchniową, której miarą na jednostkę powierzchni jest tzw. napięcie powierzchniowe. Warstwa powierzchniowa jest w równowadze, gdy jej energia powierzchniowa posiada wartość możliwie najmniejszą [1,2]. Powierzchnia styku ciała stałego z cieczą jest również źródłem pewnej energii powierzchniowej, podobnie jak powierzchnia styku ciała stałego z gazem lub powierzchnia styku ciała stałego z gazem. W związku z tym mówi się o napięciu powierzchniowym cieczy w zetknięciu z gazem, ciała stałego z cieczą itd. Widać więc, że napięcie powierzchniowe zależy od stanu dwóch ciał stykających się ze sobą. Jeżeli fazę gazową oznaczyć wskaźnikiem a, fazę ciekłą wskaźnikiem b, fazę stałą wskaźnikiem c, to warunek równowagi cieczy graniczącej z ciałem stałym w atmosferze gazowej (upraszczając wpływ siły ciężkości) wyrazić można:[2,16] σac – σbc – σabcosφΘ = 0. (1). gdzie: σac – napięcie powierzchniowe na granicy ciała stałego i gazu, σbc – napięcie powierzchniowe na granicy ciała stałego i cieczy, σab – napięcie powierzchniowe na granicy cieczy i gazu, Θ – kąt zetknięcia. Kąt zetknięcia φ jest kątem, pod którym w stanie równowagi swobodna powierzchnia cieczy styka się z powierzchnią ciała stałego. Gdy kąt φ jest zawarty w granicach 0 do 900, mówi się, że ciecz dobrze zwilża ciało stałe, przy czym im kąt φ jest mniejszy mówi się, że zwilżalność jest lepsza. Gdy kąt Θ jest zawarty od 90 do 1800, mówi się, że ciecz nie zwilża ciała stałego. Na rys.1 przedstawiono rozkład napięć powierzchniowych w przypadku cieczy zwilżającej oraz niezwilżającej.. 4.

(7) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.1. Rozkład napięć powierzchniowych w przypadku: a) cieczy zwilżającej, b) cieczy niezwilżającej [18]. 1180 1160 1140 1120. Napięcie powierzchniowe dyn/cm. 1100 1100 1150 1200 1250 1300. Napięcie powierzchniowe dyn/cm. Cu. Sn 680 660 640 620 600 200 250 300 350 400 450. Temperatura 0C. Temperatura 0C. Zn. Ag. 800 780 760 740 720 400 450 500 550 600 650 Temperatura 0C. Napięcie powierzchniowe dyn/cm. Napięcie powierzchniowe dyn/cm. Praktycznie w procesie lutowania na wielkość kąta zetknięcia, a tym samym na zwilżalność, wpływa się przez odpowiedni dobór gatunku spoiwa, które powinno w stanie ciekłym wykazać możliwie małe napięcie powierzchniowe. Zwilżalność zależy też od parametrów procesu lutowania (temperatury i czasu), czystości i chropowatości łączonych powierzchni oraz wielkości szczeliny między nimi. Można ją zwiększyć przez wprowadzenie do lutu dodatkowych składników. Roztopione metale i stopy charakteryzują się różnymi wartościami napięcia powierzchniowego, przy czym w dużej mierze zależy ono od temperatury (rys.2).. 930 920 910 900 900. 1000. 1100. 1200. Temperatura 0C. Rys.2. Zależność napięcia powierzchniowego od temperatury: dla cyny, dla cynku, dla miedzi, dla srebra [2] 5.

(8) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Zazwyczaj jako spoiwa stosuje się stopy metali, zawierające mniejszą lub większą ilość dodatkowych pierwiastków. Zwilżanie metalu spoiwem prowadzi do powstawania roztworów stałych bądź faz międzymetalicznych. Metale nie rozpuszczające się wzajemnie i nie tworzące faz międzymetalicznych nie zwilżają jedne drugich [1-3]. Zwilżalność w dużym stopniu zależy również od czystości powierzchni łączonych części. Zanieczyszczenia tlenkami lub tłuszczem, nawet gdy grubość ich jest niewielka, mogą wywołać znaczne zwiększenie kąta zetknięcia, a tym samym pogorszenie zwilżalności. Usuwanie tlenków drogą mechanicznego lub chemicznego oczyszczania powierzchni polepsza zwilżanie, jednakże nie jest to całkowicie skuteczne, gdyż w czasie lutowania powstają nowe tlenki. W związku z tym najczęściej stosuje się dodatkowo rozpuszczanie tlenków za pomocą tzw. topników. Rozpuszczone tlenki w postaci żużla wypływają na powierzchnię ciekłego spoiwa, skąd po skończonym procesie lutowania usuwa się je mechanicznie[2]. Z tego powodu spoiwa w stanie ciekłym nie powinny wykazywać podatności na utlenianie, a co najwyżej tworzyć tlenki łatwo rozpuszczalne lub ulegające redukcji przez topniki. Ze zjawiskiem zwilżania ściśle łączy się zjawisko tzw. włoskowatości, najwyraźniej występujące w wąskich rurkach, zwanych rurkami włoskowatymi lub kapilarnymi oraz w szczelinach. Zjawisko to polega na tym, że ciecz dobrze zwilżająca materiał rurki podnosi się w niej na pewną wysokość (w stosunku do poziomu cieczy w naczyniu) i tworzy menisk wklęsły, ciecz niezwilżająca opada poniżej poziomu i tworzy menisk wypukły. Wysokość podnoszenia się cieczy w okrągłych rurkach włoskowatych określa wzór [2]: h=. 4 cos  dg. (2). gdzie: h- wysokość podnoszenia się cieczy w cm, σ- napięcie powierzchniowe cieczy w dynach/cm, Θ- kąt zetknięcia, d- średnica rurki w cm, γ- gęstość cieczy w g/cm3, g- przyspieszenie ziemskie m/s2. Z powyższego wzoru wynika, ze wysokość podnoszenia się cieczy jest tym większa, im mniejsza jest średnica rurki lub odległość między ściankami, im mniejsza jest gęstość cieczy i im mniejszy jest kąt zetknięcia, czyli im łatwiej zachodzi zwilżanie. Wynika stąd warunek, że przy konstruowaniu połączeń lutowanych i przy ich montażu, należy zawsze dążyć do otrzymania możliwie najmniejszych szczelin między łączonymi powierzchniami, gdyż tylko wtedy zapewnione jest szczelne wypełnienie lutem [1-5]. Drugi warunek wynika z gęstości ciekłego lutu. Im temperatura lutowania jest wyższa tym gęstość lutu jest mniejsza, a wysokość wzniesienia włoskowatego większa. Tym samym uzyskanie dobrego połączenia jest łatwiejsze. Zdolność zwilżania i wypełniania szczelin zależy nie tylko od fizycznych właściwości lutu i metali łączonych, ale także od stopnia gładkości powierzchni tych metali. Najlepsze wyniki uzyskuje się, jeśli lutowane powierzchnie wykazują pewną chropowatość, w wyniku np. zgrubionego szlifowania lub toczenia, trawienia itd. Istniejące wtedy na powierzchni drobne nierówności, ryski i zadrapania, tworząc pewnego rodzaju siatkę naczyń włoskowatych, ułatwiają rozpływanie się ciekłego lutu i sprzyjają szybkiemu wypełnieniu się szczelin między łączonymi powierzchniami. Szczególne znaczenie ma to w przypadku, gdy materiały łączone i lut wykazują małe 6.

(9) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. powinowactwo chemiczne względem siebie. Jeśli powinowactwo chemiczne między nimi jest duże, chropowatość powierzchni nie odgrywa większej roli, ponieważ ciekły lut rozpuszcza przede wszystkim wierzchołki nierówności, niszcząc w ten sposób siatkę naczyń włoskowatych [1-3]. Osobnym zagadnieniem, mającym bardzo istotne znaczenie w procesie lutowania, jest zagadnienie lejności (rzadkopłynności) lutów, tj. zdolności ich do wypełniania szczelin pod działaniem siły ciężkości. Lejność ciekłego metalu zależy przede wszystkim od jego zakresu krystalizacji (krzepnięcia), tzn. od wielkości różnicy między temperaturą likwidus i solidus. Im ta różnica jest większa, tym lejność danego metalu jest gorsza. Również kształt tworzących się w procesie krzepnięcia kryształów w poważnym stopniu wpływa na lejność. W przypadku kryształów o kształtach zaokrąglonych (globularnych) lejność jest lepsza, niż w przypadku kryształów dendrytycznych. Dlatego też luty powinny odznaczać się możliwie małym zakresem krzepnięcia i z tego punktu widzenia najlepiej jako luty stosować czyste metale lub stopy o składzie eutektycznym[2,6]. Istotną rolę w procesie łączenia metali lutowaniem odgrywa zjawisko dyfuzji występujące między ciekłym lutem i metalem, a polegające na przemieszczaniu się atomów składników lutu w głąb metali łączonych i odwrotnie [19,20]. Przemieszczenie to uwarunkowane jest następującymi czynnikami: - wzajemną rozpuszczalnością metali łączonych i lutu, - dążeniem układu do wyrównania składu chemicznego w całej objętości, - ruchami cieplnymi atomów. Szybkość przemieszczenia się atomów, czyli szybkość dyfuzji w dużej mierze zależy od temperatury i wzrasta z jej podwyższeniem. W zależności od przebiegu dyfuzji rozróżnia się dyfuzję atomową i dyfuzję reakcyjną. Pierwsza polega na przemieszczeniu się atomów jednego pierwiastka do sieci elementarnej drugiego, przy czym powstaje roztwór stały o sieci elementarnej pierwiastka rozpuszczającego. Tworzenie się nowych faz o budowie różnej od budowy pierwiastka rozpuszczającego jest niemożliwe i maksymalne stężenie pierwiastka dyfundującego nie przekracza granicznej rozpuszczalności w temperaturze dyfuzji. Widać więc, ze przy dyfuzji atomowej zachodzi jedynie zmiana stężenia składnika rozpuszczanego w sieci elementarnej składnika rozpuszczającego, tworzącego w wyniku tego roztwór stały. Zmiana ta powoduje duże różnice we właściwościach warstwy powierzchniowej metalu rozpuszczającego, czemu towarzyszy zazwyczaj zmiana mikrostruktury. Zdarzają się jednak przypadki, że mikrostruktura powstałego roztworu stałego nie różni się wyraźnie od mikrostruktury metalu rozpuszczającego i ujawnienie granicy między nimi jest trudne[2,19]. Mechanizm dyfuzji jest następujący: temperatura określa wielkość układu, która rozdzielona jest między poszczególne atomy nierównomiernie. W związku z tym w sieci elementarnej znajduje się pewna ilość atomów, których energia jest znacznie większa niż atomów pozostałych. Energia ta przejawia się w drganiach i atom mający taką zwiększoną ilość energii wychodzi ze swego normalnego położenia w węźle sieci elementarnej, zajmując położenie międzywęzłowe. W sieci elementarnej pojawia się puste miejsce(wakans). Tego rodzaju przemieszczenie nazywa się dysocjacją atomów[2,19] Istnienie wolnych miejsc w sieci elementarnej umożliwia powstawanie na drodze dyfuzji tzw. roztworów stałych różnowęzłowych (substytucyjnych), tzn. roztworów, w których część atomów w węzłach sieci metalu rozpuszczającego jest zastąpiona atomami metalu rozpuszczanego.. 7.

(10) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Inaczej przebiega proces powstawania na drodze dyfuzji roztworów stałych międzywęzłowych (addycyjnych). W tym przypadku atomy metalu rozpuszczanego wnikają w przestrzenie międzywęzłowe sieci elementarnej metalu rozpuszczającego.[2] Energię, która jest konieczna dla wywołania przesunięcia atomu z jednego położenia w sieci elementarnej w drugie, nazywa się energią aktywacji. Oczywiście energia ta podczas tworzenia się stałych roztworów międzywęzłowych jest znacznie mniejsza niż podczas tworzenia się roztworów różnowęzłowych, gdyż w pierwszym przypadku odpada konieczność usuwania atomów metalu rozpuszczającego z węzłów sieci w położenie międzywęzłowe. Drugim rodzajem dyfuzji jest dyfuzja reakcyjna, której wynikiem jest powstanie nowej fazy międzymetalicznej, zgodnie z wykresem równowagi między metalem rozpuszczanym i rozpuszczającym. Proces dyfuzji reakcyjnej można podzielić na dwa etapy: powstanie nowej fazy na powierzchni metalu na skutek zachodzącej reakcji chemicznej oraz rozrost nowej fazy na skutek zachodzącej dyfuzji.[19-21] Wielkością charakterystyczną dla procesów dyfuzyjnych jest tzw. współczynnik dyfuzji, który określa ilość metalu w gramach jaka przedyfunduje w czasie jednej sekundy przez jeden cm2 powierzchni. Współczynnik ten zależy przede wszystkim od temperatury i wzrasta wraz z jej wzrostem (powiększa się ilość wolnych miejsc w węzłach sieci). Nadmierne podwyższenie temperatury może spowodować nadtopienie krawędzi lutowanych części oraz silne utlenianie się ciekłego lutu. Dlatego dla każdego gatunku spoiwa określona jest optymalna temperatura lutowania, w której szybkość jest odpowiednia, a niekorzystne zjawiska uboczne jeszcze nie zachodzą [1-3]. Grubość warstwy dyfuzyjnej w zależności od czasu (przy ustaleniu pozostałych parametrów procesu, jak temperatura, ciśnienie itd.) określa równanie [25]: y2 = kτ (3) gdzie: y- grubość warstwy dyfuzyjnej, k- stałą zależna od współczynnika dyfuzji, τ- czas procesu. Z równania wynika, że poważną rolę w procesie lutowania odgrywa szybkość chłodzenia złącza. Przy zbyt dużych szybkościach chłodzenia, proces dyfuzji jest przedwcześnie zahamowany i połączenie jest mniej trwałe. Dlatego z reguły przedmioty połączone w procesie lutowania należy chłodzić powoli, szczególnie gdy lut jest jeszcze w stanie ciekłym. Dyfuzja w metalach może zachodzić równolegle do powierzchni, lub w głąb ziaren bądź też wzdłuż ich granicy (rys.3).. Rys.3. Schemat przebiegu dyfuzji w metalu: 1-wzdłuż powierzchni, 2- po granicach ziaren, 3- przez ziarna [25] 8.

(11) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Na podstawie doświadczeń [2,25] ustalono, że największą wartość ma współczynnik dyfuzji na powierzchni metalu, mniejszą na granicy ziaren a najmniejszą w samych ziarnach. Ustalono także, że szybkość dyfuzji w metalach o elementarnej sieci sześciennej (aluminium, nikiel, kobalt, miedź itd.) praktycznie nie zależy od kierunku osi krystalograficznych. Natomiast metale o innych sieciach wykazują pewną anizotropowość dyfuzji. Stwierdzono również, że dyfuzja przebiega szybciej w materiale odkształconym niż w materiale wyżarzonym. Duże znaczenie dla przebiegu dyfuzji ma przewodność cieplna lutowanych metali. W metalach o gorszej przewodności cieplnej dyfuzja zachodzi w mniejszym stopniu czyli współczynnik dyfuzji w tym przypadku jest mniejszy[2,19]. 1.1.3 Budowa i właściwości lutowanego złącza Budowa lutowanego złącza zależy przede wszystkim od rodzaju wzajemnego oddziaływania na siebie lutowanego metalu i spoiwa, a wiec od ich składu chemicznego i właściwości. Duży wpływ wywierają również takie czynniki, jak: temperatura procesu, wielkość szczeliny między łączonymi powierzchniami, sposób ochrony złącza przed utlenianiem (topniki, atmosfery ochronne), czystość łączonych powierzchni, metoda lutowania itd. W zależności od rodzaju wzajemnego oddziaływania lutowanego materiału i spoiwa , rozróżnia się następujące przypadki: - ciekłe spoiwo nie oddziałuje na materiał i połączenie ma charakter zwykłego przylegania spowodowanego adsorpcją, - ciekłe spoiwo rozpuszcza w sobie materiał lub jego składniki, - ciekłe spoiwo lub jego składniki dyfundują w materiał, - ciekłe spoiwo i materiał tworzą na powierzchni granicznej fazy międzymetaliczne. Warto dodać że trzy ostatnie przypadki mogą występować jednocześnie. Jeżeli ciekłe spoiwo nie oddziałuje na materiał, granica miedzy nimi jest ostro uwidoczniona bez jakichkolwiek oznak dyfuzji (rys.4).. Rys.4. Schemat budowy lutowanego złącza w przypadku, gdy ciekłe spoiwo nie oddziałuje na metal rodzimy: 1- metal rodzimy, 2-lut [2,3] Takie połączenie może zapewniać dostateczną szczelność lub przewodność elektryczną, wytrzymałość jego z reguły jest niewielka. Inaczej dzieje się jeśli ciekły lut rozpuszcza w sobie materiał, dyfunduje w niego lub tworzy z nim fazy międzymetaliczne. Wówczas w złączu można wyróżnić warstwy pokazane na (rys.5). 1- Materiał o nie zmienionym składzie chemicznym, lecz z ewentualnymi zmianami strukturalnymi, spowodowanymi np. rekrystalizacją, 2- Strefę dyfuzji bogatszą w metal lutowany, a powstałą wskutek przenikania ciekłego spoiwa w głąb materiału,. 9.

(12) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. 3- Strefę dyfuzji bogatszą w spoiwo, a powstałą wskutek przenikania materiału lub jego składników do spoiwa, 4- Spoiwo o niezmienionym składzie chemicznym.. Rys.5. Schemat budowy lutowanego złącza w przypadku wzajemnego oddziaływania na siebie ciekłego spoiwa i metalu rodzimego: 1-metal rodzimy, 2-strefa dyfuzji bogatsza w metal lutowany, 3-strefa dyfuzji bogatsza w spoiwo 4- spoiwo [2,3] Oczywiście nie wszystkie cztery warstwy muszą się znajdować w każdym złączu lutowanym. W przypadku złącz bardzo wąskich proces dyfuzji obejmuje całą lutowinę i warstwa czwarta praktycznie nie istnieje. Poza tym warstwa druga stosunkowo rzadko jest wyraźnie widoczna i łatwa do obserwacji mikroskopowej. Podobnie warstwa trzecia w wielu przypadkach jest nieuchwytna wymiarowo nawet przy dużych powiększeniach. Jeśli wzajemna rozpuszczalność lutowanego metalu i spoiwa jest nieograniczona, warstwy druga i trzecia nie są wyraźnie od siebie oddzielone i tworzą strefę przejściową złożoną z warstewek o nieprzerwanie zmiennym składzie. Przy ograniczonej wzajemnej rozpuszczalności, gdy tylko niewielka ilość spoiwa dyfunduje w metal lutowany i równie niewielka ilość materiału rozpuszcza się w ciekłym lucie, powierzchnia podziału między lutowanym metalem, a spoiwem nie zanika i warstwa druga i trzecia są ostro rozgraniczone[2]. Charakterystycznym zjawiskiem dla lutowania jest wydzielanie się dendrytów materiału lutowanego w lutowinie, na skutek zmniejszenia się jego rozpuszczalności w lucie podczas obniżania temperatury[1-3]. 1.1.4 Rodzaje spoiw 1.1.4.1 Procesy lutowania Lutowanie można podzielić ze względu na temperaturę podczas procesu, rozróżniamy wówczas lutowanie twarde oraz lutowanie miękkie. Gdy temperatura topnienia zastosowanego spoiwa nie przekracza 4500C lutowanie nazywa się miękkim[1-3]. Wytworzone połączenie ma charakter adhezyjny i cechuje się niewielką wytrzymałością oraz szczelnością. W przypadku zastosowania spoiwa o temperaturze topnienia przekraczającej 4500C lutowanie nazywa się twardym. Wytworzone połączenie ma charakter adhezyjno-dyfuzyjny jest szczelne i cechuje się wyższą wytrzymałością niż wykonane za pomocą lutowania miękkiego [2-4]. W zależności od zastosowanego źródła ciepła przy lutowaniu rozróżnia się lutowanie:  lutownicą,  gazowe,  piecowe,  kąpielowe,  oporowe,  łukowe, 10.

(13) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych….  indukcyjne,  lutospawanie,  ultradźwiękami,  chemiczne Dla przykładu na Rys.6 i Rys.7 przedstawiono lutowanie płomieniem gazowym elementów instalacji miedzianej oraz lutowanie indukcyjne węglika spiekanego ze stalą.. Rys.6 Lutowanie płomieniem [26]. Rys.7 Lutowanie indukcyjne[27]. 1.1.4.2 Luty miękkie Cechą charakterystyczną lutów miękkich jest niska temperatura topnienia (najczęściej nie przekraczająca 2500C), niska twardość i dobra plastyczność oraz niewielka wytrzymałość. Dużą zaletą tych spoiw jest ich zdolność do zwilżania powierzchni większości metali, w tym także żelaza, miedzi i ich stopów. Niska twardość i wysoka plastyczność spoiw miękkich ułatwiają przenoszenie przez lutowanie połączenia obciążeń dynamicznych, ze względu na niewielką ich wytrzymałość, obciążenia te nie mogą być zbyt duże [1-12]. Ze względu na skład chemiczny spoiw miękkich można podzielić je jako spoiwa na osnowie: cyny, ołowiu, cynku, kadmu, bizmutu, indu, galu. Na rys.8 pokazano różne postaci lutów miękkich: kształtki, pierścienie, krążki, druty.. Rys.8 Różne postaci lutów miękkich [28]. 11.

(14) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. 1.1.4.3 Luty twarde Luty twarde stanowią połączenia, przeważnie w postaci roztworów stałych i faz międzymetalicznych, dzięki czemu wytrzymałość tych połączeń jest duża. Niektóre z tych spoiw zachowują dobrą wytrzymałość w temperaturach podwyższonych, co umożliwia lutowanie nimi stali oraz stopów żarowytrzymałych. Lutownie spoiwami twardymi jest trudniejsze oraz droższe. Ze względu na ich skład chemiczny można podzielić je jako spoiwa: na osnowie: miedzi, srebra, złota i platyny, aluminium, magnezu, niklu, manganu, kobaltu, żelaza, palladu, tytanu, wanadu, cyrkonu i hafnu[2]. Na rys.9 przykładowe postaci lutów twardych: taśmy, druty, kształtki, pierścienie itp.. Rys.9. Różne postaci lutów twardych [29] 1.1.4.4 Spoiwa warstwowe Spoiwa warstwowe zwane również przekładkowymi lub trimetami są to taśmy składające się z dwóch zewnętrznych warstw spoiwa (lutu twardego) oraz warstwy wewnątrz taśmy (zazwyczaj miedzianej) [30-36]. Warstwa miedzi zapewnia dobrą kompensację naprężeń, spoiwo umożliwia skuteczne łączenie materiałów różniących się składem chemicznym i właściwościami mechanicznymi[37]. Trimety stosuje się często do lutowania stali narzędziowej z węglikami spiekanymi. W przypadku złączy o powierzchniach lutowanych większych aniżeli 100 mm2 stosowanie lutów warstwowych jest koniecznością [32,37]. Specjalną odmiana spoiw warstwowych są spoiwa z warstwą wewnętrzną w postaci siatki z drutu niklowego. Niklowa siatka spełnia podobne zadanie jak folia miedzi. Siatka nie topi się podczas lutowania, dzięki czemu lut może wypełnić większą szczelinę, a podczas chłodzenia umożliwia kompensacje napreżeń [31] 1.1.5 Spoiwa warstwowe- metody łączenia spoiwa z podłożem 1.1.5.1 Metoda platerowania na zimno W metodzie platerowania na zimno półfabrykat w postaci taśm poddawany jest obróbce powierzchniowej w specjalnych urządzeniach w celu usunięcia z powierzchni taśm zanieczyszczeń oraz jej uaktywnienie [47]. Następnie przegotowane taśmy w formie pakietu poddawane są walcowaniu pakietowemu na zimno z zastosowaniem dużego stopnia redukcji pakietu zazwyczaj przekraczającej 50% [51], a korzystnie nawet 75% [53]. Na rys.10 walcarka do platerowania na zimno z dużym zgniotem.. 12.

(15) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.10. Walcarka do platerowania taśm na zimno (Kaluga Non-Ferrous Metal PP http://www.bimetall.ru) Na jakość plateru mają wpływ nie tylko jakość obróbki powierzchni taśm, wielkość stosowanego gniotu ale także rodzaj i własności materiałów łączonych [54].Otrzymany trójwarstwowy materiał po wyżarzeniu poddawany jest przeróbce plastycznej połączonej z wyżarzaniem międzyoperacyjnym i obróbce końcowej. 1.1.5.2 Metoda platerowania na gorąco Metoda platerowania na gorąco polega na nagrzaniu do określonej temperatury materiału wsadowego po uprzednio przeprowadzonej obróbce powierzchniowej łączonych materiałów, a następnie walcowaniu na gorąco z zastosowaniem dużej redukcji grubości łączonych elementów [55-57]. Istnieje kilka odmian tej metody. Stosowana w Walcowni Metali Nieżelaznych Łabędy technologia produkcji materiałów trimetalowych polega na przygotowaniu pakietu składającego się z trzech warstw, a następnie pakiety były kopertowane cienką blachą stalową i w tej postaci następnie nagrzewane do odpowiedniej temperatury. Po nagrzaniu pakiet był walcowany na gorąco do grubości pośredniej z zastosowaniem w pierwszym przepuście dużej redukcji grubości. Po pierwszym przepuście zrywano kopertę stalową, aby nie połączyła się z platerowanymi materiałami. Kolejno materiał warstwowy walcowano na wymiar gotowy z zastosowaniem obróbki międzyoperacyjnej i obróbki końcowej [52]. 1.1.5.3 Metoda oparta na spłaszczaniu drutu bimetalowego Metoda oparta na spłaszczaniu drutu bimetalowego polega na wzdłużnym spawaniu metodą TIG taśm ze spoiwa uformowanego na rdzeniu miedzianym o odpowiednio dobranej średnicy [58-61]. Uwzględniając końcową szerokość taśmy trimetalowej poniżej 10 mm taśmę warstwową wykonuje się spłaszczając okrągły drut bimetalowy poprzez walcowanie z zastosowaniem walców płaskich, z dalszymi operacjami ciągnienia i obróbki cieplnej [52,53]. Istotną sprawą jest określenie odpowiednich warunków spawania drutu warstwowego w zakresie prędkości spawania, natężenia prądu spawania i przepływu gazu ochronnego. Na końcowym etapie procesu otrzymana taśma poddawana jest cięciu na wymiar końcowy z uwzględnieniem ewentualnego usunięcia warstwy miedzi z krawędzi [65]. Na rys.11 pokazano 13.

(16) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. poglądowy schemat produkcji drutu bimetalowego przed procesem spłaszczania. Druty płaszczowe są produkowane m.in. w Instytucie Metali Nieżelaznych w Gliwicach.. Rys.11. Schemat poglądowy produkcji drutu bimetalowego: 1-rdzeń (w przypadku trimetu miedziany), 2-taśma (w przypadku trimetu spoiwo), 3- rolki kształtujące, 4stanowisko spawania, 5-spoina, 6- zwijak [61] 1.1.5.4 Metoda łączenia wybuchowego Platerowanie wybuchowe polega na łączeniu dwóch lub więcej elementów za pomocą energii wyzwalającej się przy detonacji materiału wybuchowego [66]. Łączone płyty mogą być ustawione względem siebie pod określonym kątem bądź równolegle [69,70]. Na płycie ułożonej na masywnym podłożu umieszczona jest podpora oddzielająca łączoną cieńszą płytę, na powierzchnię której nałożona jest podkładka ochronna z warstwą kruszącego materiału wybuchowego i detonatorem .. Rys. 12 Schemat zgrzewania wybuchowego z ułożeniem płyt łączonych pod kątem α (a) i ułożeniem równoległym (b); 1 – materiał wybuchowy, 2 – podkładka ochronna, 3 – zapalnik, 4 –płytka platerowana, 5 - płyta platerująca, 6- podpora [33,70] Płyta nastrzeliwana pod wpływem detonacji, której front przesuwa się z prędkością detonacji D (rys.12) jest w sposób ciągły odrzucana i odginana o kąt δ co powoduje, że zderzenie płyt następuje pod kątem β = α + δ, dla układu ze wstępnym kątem α (a) lub β = δ dla układu równoległego. Kąt β nazywa się kątem zderzenia, a kąt δ - kątem odrzutu.. 14.

(17) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.13. Schemat procesu zgrzewania wybuchowego płyt ułożonych wstępnie pod kątem α;ß - kąt zderzenia, vD – szybkość łączenia, vZ – szybkość przemieszczania nastrzeliwanej płyty [33,70] Zderzenie dwóch ciał stałych powoduje powstanie wewnętrznych ciśnień w sąsiedztwie punktu kolizji. Ciśnienia przy zderzeniu metali osiągają wartości rzędu dziesiątek tysięcy MPa i wystarczają, aby pomijając wytrzymałość materiału, traktować ruch metali w obszarze zderzenia jako przepływ ściśliwego, nielepkiego płynu. Wynika stąd, że zderzenie ukośne płyt metalowych, któremu towarzyszy powstawanie strumienia usuwającego warstewki powierzchniowe (tlenkowe) z metalu, można traktować jako zderzenie dwóch strumieni cieczy [68-70]. Schemat procesu zgrzewania wybuchowego przedstawiono na rys.13. Mechanizm zgrzewania wybuchowego nie został dotychczas w pełni wyjaśniony. Przyjmuje się, że zgrzewanie wybuchowe jest następstwem współdziałania ze sobą wielu procesów w obszarze zderzenia. Do najważniejszych zalicza się: samooczyszczanie powierzchni, formowanie się fal międzypowierzchniowych, procesy cieplne, odkształcenie plastyczne, działanie naprężeń rozciągających. Procesowi zgrzewania towarzyszą zjawiska rekrystalizacji i dyfuzji, które przebiegają głównie bezpośrednio po uformowaniu połączenia i wpływają znacząco na właściwości połączeń [70]. W procesie zgrzewania wybuchowego przy odpowiednich parametrach powstają cykliczne odkształcenia zgrzewanych powierzchni. Odkształcenia te ze względu na ich kształt i charakter nazywa się falami między powierzchniowymi. Ich długość i amplituda są funkcją wielu czynników. Odkształcenie plastyczne zderzających się powierzchni płyt jest jednym z podstawowych warunków uzyskania połączenia przy zgrzewaniu, głównie przez spowodowanie dostatecznego zbliżenia zgrzewanych powierzchni. Ponadto zgrzewaniu wybuchowemu towarzyszy powstawanie napręzeń ściskających na powierzchni nastrzeliwanej płyty w obszarze zderzenia płyt, na których froncie wytwarzają się bardzo wysokie ciśnienia w czasie bardzo krótkiego czasu działania rzędu kilku mikrosekund [70]. 1.1.5.5 Metoda obejmująca platerowanie i walcowanie na gorąco Metoda platerowania i walcowania na gorąco polega na odpowiednim przygotowaniu pakietów z miedzi i spoiwa w ściśle określonych proporcjach (szlifowanych powierzchniowo w celu usunięcia zanieczyszczeń i warstwy tlenkowej), a następnie poddawaniu ich ściskaniu-prasowaniu w podwyższonych temperaturach. Na rys.14 przedstawiono prasę do prasowania do temperatury 4700C i nacisku do 1000 T. W kolejnym etapie pakiet poddaje się wyżarzaniu dyfuzyjnemu i walcowaniu na 15.

(18) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. gorąco, a następnie walcowaniu międzyoperacyjną.[52,53]. na. zimno. wraz. z. odpowiednią. obróbką. Rys.14. Prasa do platerowania 1000T (Lucas-Milhaupt Gliwice, informacja własna) Przedstawiona metoda została wykorzystana do wykonania spoiw warstwowych będących przedmiotem badań prowadzonych w ramach niniejszej pracy. Szczegółowy opis podanej metody opisany jest na przykładzie badanych materiałów w metodyce badań. 1.2 Struktura spoiw do łączenia węglików spiekanych ze stalą 1.2.1 Spoiwa do lutowania twardego na bazie srebra Szczególną uwagę podczas lutowania płytek z węglików spiekanych należy zwrócić na wytrzymałość i plastyczność lutowanego połączenia, uwzględniając temperaturę pracy narzędzia, a także na naprężenia wewnętrzne w lutowinie, które w efekcie mogą spowodować zniszczenie lutowanej płytki [3,27]. Dlatego jako spoiwa najczęściej stosuje się plastyczne stopy na osnowie srebra i miedzi zawierające nikiel sprzyjający relaksacji naprężeń, mangan zwiększający wytrzymałość i rzadkopłynność oraz cynę obniżającą temperaturę topnienia[27,79]. Spoiwa twarde zostały w Europie znormalizowane i objęte normą PN-EN ISO 17672:2010E, natomiast w Stanach Zjednoczonych obowiązuje w tym zakresie standard ANSI/AWS A 5.8-1992. 1.2.2 Skład fazowy spoiw Spoiwa na bazie srebra w szerokim zakresie zostały przebadane w Instytucie Metali Nieżelaznych w Gliwicach. W stopach na bazie srebra typu Ag-Cu-Zn-Sn głównymi składnikami mikrostruktury są [80]: - faza (Ag) będąca roztworem stałym granicznym miedzi, cynku i cyny w srebrze, - faza (Cu) stanowiąca roztwór stały graniczny srebra, cynku i cyny w miedzi, - faza (β) występująca w układzie CuZn jak i AgZn, zawierająca stosunkowo dużą ilość cyny (ok. 14% mas.), - faza międzymetaliczna Ag4Sn. 16.

(19) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. W normowanych w PN-EN ISO 17672:2010E tego typu stopach nie różnią się one pod względem składu fazowego, a jedynie udziałem objętościowym poszczególnych faz oraz stopniem rozdrobnienia składników mikrostruktury [81]. W stopach CuZnP głównymi fazami są: - faza α występująca w układzie CuZn, - faza Cu3P, - faza CuZnP która ulega rozpadowi w procesie wolnego chłodzenia. W wyniku tego rozpadu powstają dwie fazy: jedna bogata w miedź i fosfor, druga w cynk i fosfor [82]. W spoiwach z grupy Ag-Cu-Zn-In w mikrostrukturze występują następujące fazy: - faza (Ag) roztwór stały na osnowie srebra, z indem, miedzią i cynkiem, - faza (Cu) roztwór stały na osnowie miedzi z cynkiem i srebrem, - faza (CuZn) roztwór stały na osnowie fazy CuZn z dodatkiem srebra i indu [83]. W stopie AgCu35Ti2 można zaobserwować następujące fazy: - faza (Ag), - faza (Cu), - faza międzymetaliczna Cu4Ti występująca zarówno w postaci igieł jak i nieregularnych wydzieleń [84]. 1.2.3 Właściwości mechaniczne spoiw Stopy stosowane jako spoiwa twarde do lutowania zazwyczaj posiadają bardzo dobre własności plastyczne na zimno i gorąco. Określone problemy technologiczne podczas przeróbki plastycznej na zimno wykazują stopy zawierające fosfor. Spoiwa mogą być przerabiane plastycznie z gniotem sumarycznym pomiędzy 40-60% przy czym najkorzystniejszym przedziałem temperatur obróbki cieplnej międzyoperacyjnej w zależności od wymiarów geometrycznych jest zakres 450-5800C[80-84]. 1.3 Zastosowanie w przemyśle spoiw na bazie srebra Technicznie czyste srebro jako spoiwo jest wykorzystywane rzadko ze względu na wysoką cenę oraz niskie właściwości wytrzymałościowe [85,86]. Znaczenie przemysłowe mają przede wszystkim stopy srebra, które zależnie od składu topią się w zakresie temperatur 4500C÷12000C. Głównym składnikiem stopów srebra stosowanych jako spoiwa jest miedź, która przy zawartości 28,1% tworzy z nim mieszaninę eutektyczną o temperaturze topnienia 7790C [87-90]. Spoiwa typu Ag-Cu charakteryzują się bardzo dobrą przewodnością elektryczną, znalazły więc szerokie zastosowanie w elektrotechnice [91,92]. Największą jednak grupę spoiw na osnowie srebra tworzą stopy srebro-miedź-cynk, zawierające niekiedy dodatkowo kadm, mangan, nikiel, cynę, fosfor i lit [1,2]. Cynk powoduje znaczne obniżenie temperatury topnienia spoiw oraz, co nie jest bez znaczenia- obniżenie ceny. Ich temperaturę topnienia obniżają także kadm i cyna, ponadto kadm zwiększa plastyczność i rzadkopłynność lutów [93-99], a cyna podobnie jak nikiel polepsza zwilżalność. Nikiel podwyższa również wytrzymałość lutów, zarówno w temperaturze otoczenia jak i podwyższonej, mangan zwiększa odporność na działanie kwasów, wreszcie lit i fosfor umożliwiają lutowanie bez stosowania topników. Istnieją również luty na osnowie srebra przeznaczone do łączenia stopów żarowytrzymałych. Zawierają one obok srebra pallad, miedź i mangan, a ich temperatury topnienia wynoszą 800÷12000C [14]. Z uwagi na toksyczność kadmu wprowadza się gal oraz ind [100-102]. Omówione luty dzięki takim właściwościom, jak zróżnicowane temperatury topnienia, dobre własności mechaniczne, wysoka przewodność elektryczna, odporność 17.

(20) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. na korodujące działanie wielu kwasów i zasad, dobra obrabialność, dobra zwilżalność większości metali i stopów, dobra lejność i zdolność wypełniania szczelin są szeroko stosowane w przemyśle, mimo znacznej ich ceny [93-94]. Można nimi łączyć wszystkie rodzaje stali, miedź i jej stopy, stopy żelaza, złota, niklu i tytanu, płytki z węglików spiekanych ze stalą, stopy żarowytrzymałe itd. 1.4 Lutowanie płytek z węglików spiekanych Jakość narzędzi z nalutowanymi płytkami w dużym stopniu zależy od przebiegu procesu lutowania oraz prawidłowego przygotowania korpusu narzędzia, płytki i ewentualnych wkładek pośredniczących, ich wzajemnego dopasowania, a także właściwego doboru lutu i topnika (względnie atmosfery ochronnej) oraz metody lutowania [33,43]. Przygotowanie płytek polega na przeszlifowaniu i dokładnym oczyszczeniu powierzchni najlepiej na drodze piaskowania i odtłuszczania. Wewnętrzne naroża - gniazda powinny mieć promień zaokrąglenia 0,5÷1,0mm co z jednej strony zmniejsza możliwość pęknięć podczas obróbki cieplnej korpusu, z drugiej sprzyja dobremu wypełnieniu szczelin lutem [35,35]. Ważnym elementem technologii jest ustalenie położenia płytek węglikowych. W tym celu stosuje się miejscowe ich mocowanie przed lutowaniem [33].. Rys.15 Piła z ostrzem z węglików spiekanych [27,37]. Rys.16 Narzędzia górnicze z częścią roboczą z węglików spiekanych [27]. Rys.17 Wiertła z częścią roboczą – węglik [27]. Innym zagadnieniem są naprężenia cieplne, które powstają w lutowanym złączu na skutek rożnych współczynników rozszerzalności cieplnej materiału korpusu narzędzia i płytki, zmian strukturalnych podczas obróbki cieplnej narzędzia i skurczu krzepnącego lutu, a które mogą doprowadzić do zniszczenia połączenia[37,45]. W celu wyrównania tych naprężeń, zwłaszcza przy większych wymiarach płytek (o powierzchni lutowanej powyżej 100 mm2) lub płytek bardzo kruchych, zawierających większe ilości węglików tytanu, a także narzędzi pracujących pod dużymi obciążeniami między płytką a korpusem narzędzia należy umieszczać specjalne wkładki pośredniczące lub stosować spoiwa warstwowe [33]. Zmniejszenie naprężeń cieplnych, powstających podczas chłodzenia lutowanych złącz można uzyskać także przez obniżenie temperatury, prowadzenia tego procesu oraz wstępne podgrzanie łączonych części, przez zmniejszenie szybkości chłodzenia po lutowaniu, wreszcie przez zastosowanie plastycznych lutów, sprzyjających relaksacji naprężeń na skutek ich odkształceń [34]. Jednak wszystkie te metody są znacznie mniej efektywne aniżeli wkładki lub spoiwa warstwowe [33]. Przykłady zastosowań węglików spiekanych przedstawiono na rysunkach: rys.15 piła, rys.16 nóż górniczy, rys.17 wiertło. 18.

(21) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. 2 Cel i teza pracy. Stwierdzone liczne wady występujące podczas wytwarzania układów warstwowych stosowanych jako luty mające swoje źródło zarówno w technologii wytwarzania jak też we właściwościach materiału. Stworzyło to przesłanki do poszukiwania nowych rozwiązań, które umożliwią osiągnięcie wymiernych korzyści ekonomicznych produkowanych spoiw warstwowych stosowanych do lutowania różnych gatunków stali z węglikami spiekanymi. Również zmieniający się rynek surowców, powodujący wzrost ceny głównie srebra wymusił prace związane ze zmniejszeniem udziału srebra w stosowanych obecnie lutach przy zachowaniu porównywalnych parametrów lutowniczych. Celem pracy było opracowanie składu chemicznego nowego stopu o mniejszej zawartości srebra przy zachowaniu parametrów użytkowych zbliżonych do stopu bazowego BAg-22 oraz eliminacja występujących wad podczas produkcji lutów warstwowych głównie rozwarstwień pakietu oraz pękania krawędzi taśm, określenie przyczyn i mechanizmów ich powstawania oraz opracowanie koncepcji prowadzących do poprawy jakości lutów wielowarstwowych. W związku z powyższym praca ma zarówno aspekt naukowy jak i utylitarny, prowadzący do rozpoznania parametrów wpływających na jakość lutu jak również wskazujący na te elementy technologii, których skorygowanie doprowadzi do ulepszania sposobu ich wytwarzania. W oparciu o analizę danych literaturowych i własne doświadczenia zawodowe LMG (dawny Inmet) wysunięto tezę, że modyfikacja składu chemicznego polegająca na zmniejszeniu zawartości srebra i zastąpieniu go miedzią będzie skutkowała uzyskaniem porównywalnych własności lutu do obecnej stosowanej droższej wersji składu stopu. Drugim aspektem wnioskowanej możliwości ulepszenia wytwarzanych lutów jest opracowanie nowych parametrów technologii adekwatnych do składu chemicznego stopu. Realizacja założonych zadań, oprócz zastosowania standardowych technik badawczych, stosowanych powszechnie w badaniach materiałowych obejmujących: mikroskopię optyczną (MO), elektronową mikroskopię skaningową (SEM) oraz rentgenografię strukturalną (XRD), wymagała zastosowania uzupełniających technik analitycznych, a mianowicie dyfrakcji elektronów wstecznie rozproszonych (EBSD) oraz transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). Jednocześnie analizowano stopy pod kątem właściwości użytkowych, wykonując skaningową kalorymetrie różnicową, analizę termiczną różnicową, badanie rozpływności, badanie wytrzymałości na ścinanie złącz lutowanych oraz wprowadzono dodatkowo badania termowizyjne krytycznego procesu walcowania na gorąco.. 19.

(22) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. 3. Badania własne 3.1 Metodyka badań W niniejszej pracy przeprowadzono badania własne według metodyki obejmującej przygotowanie pakietów, platerowanie, walcowanie na gorąco, walcowanie na zimno, lutowanie węglików, badania właściwości, struktury i mikrostruktury pakietów, taśm oraz złącz lutowanych. 3.1.1 Zastosowana metoda spajania W pracy do wytwarzania spoiw trójwarstwowych zastosowano metodę platerowania oraz walcowania na gorąco. W tym celu przygotowano płaskowniki (rys.18): w gatunku Ag38MnNi 2szt.≠7,0 x 75 x 550mm, w gatunku BAg-22 2szt.≠7,0x75x550mm oraz płaskowniki miedziane w gatunku Cu ETP 2szt. ≠21,0x77x580mm. Następnie wykonano dwa pakiety po jednym z każdego gatunku w proporcjach 1:2:1 (spoiwo/Cu/spoiwo).. Rys.18. Przygotowane płaskowniki do platerowania Kowadła prasy zostały oczyszczone mechanicznie (szlifowanie). Do platerowania kowadła nagrzano do temperatury 450 0C, nacisk kowadła górnego wyniósł 900 ton w dwóch cyklach po 200 sekund każdy. Po platerowaniu grubość obu pakietów wynosiła 21±0,5 mm. Tak otrzymane pakiety walcowano na gorąco na walcarce duo nawrotne. Temperatura nagrzania pakietów przed operacja walcowania wynosiła 6500C w czasie 4 godz. Piec do nagrzewania pokazano na rys.19. Pakiety walcowano według schematu: grubość 21mm —>15mm w jednym przepuście, ponownie wyżarzono w temp 650°C/2godz. Walcowano z grubości 15mm —> 10mm—> 7,5 mm. Po procesie walcowania na gorąco powierzchnia pakietu została mechanicznie oczyszczona (szlifowana). Kotlinę walcowniczą walcarki duo nawrotne pokazano na rys.20. Otrzymane taśmy były walcowane na zimno w połączeniu z obróbką międzyoperacyjną oraz mechanicznym oczyszczaniem powierzchni (polerowanie). Operacja polerowania została wykonana po zakończeniu procesu przeróbki plastycznej oraz wyżarzania. Taśmy zostały poddane procesowi obcinania krawędzi w celu otrzymania żądanej szerokości.. 20.

(23) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.19. Piec do nagrzewania pakietów (zestawów) przed walcowaniem na gorąco: A) przód pieca, B) termogram przodu pieca (Lucas-Milhaupt Gliwice). Rys.20. Walcarka duo do walcowania na gorąco (Lucas-Milhaupt Gliwice) 3.1.2 Lutowanie stali oraz węglików spiekanych Do badań zastosowano stal o składzie chemicznym podanym w tabeli 1 oraz węglików spiekanych o składzie 75%WC z warstwą wiążącą 12,5% Ni oraz 12,5% Co. Do lutowania użyto lutów przekładkowych będących przedmiotem badań o grubości taśmy 0,35mm oraz topnika fluorkowo-chlorkowego. Do nagrzewania materiałów lutowanych użyto płomienia acetylenowo-tlenowego. Po powolnym ostudzeniu złączy, oczyszczeniu oraz przygotowaniu odpowiednich próbek, materiały zostały poddane badaniom. Tabela 1. Skład chemiczny stali użytej do lutowania XRF Fe Si Mn C Cu Al. P 98,47 0,41 0,40 0,22 0,18 0,15 0,07. S 0,04. Cr 0,03. Ni 0,03. 3.1.3 Zastosowane metody badań struktury i właściwości mechanicznych Badanie stopnia połączenia warstw przeprowadzono na mikroanalizatorze JXA 8230 firmy Jeol (rys.21). Mapy rozkładu oraz liniowe przebiegi zmian pierwiastków na granicy stal/spoiwo, spoiwo/miedź, spoiwo/węglik przy powiększeniach do 8000x. 21.

(24) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. wykonano z wykorzystaniem metody WDS (z dyspersją fali). Skład chemiczny badano wiązką skupioną (średnica ok. 1 µm) w obszarze granicy.. Rys.21. Mikroanalizator JXA 8230 firmy Jeol. (IMN Gliwice) W celu weryfikacji składu fazowego wybranych materiałów w postaci taśm o grubości 0.3 mm wykonano pomiary dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego z wykorzystaniem dwóch długości fali Mo Kα i Cu Kα. Dla promieniowania Cu Kα pomiary te przeprowadzono przy użyciu dyfraktometru rentgenowskiego Rigaku MiniFlex 600 (rys.23) z zastosowaniem lampy rentgenowskiej będącej źródłem promieniowania Cu Kα o długości fali 1.5406 Å, wyposażonego w krzemowy detektor paskowy D/teX, wysokorozdzielcze szczeliny Sollera 2.5'' na wiązce pierwotnej i rozproszonej, a także automatyczny zmieniacz próbek. Pomiar przeprowadzono z włączonym dyskryminatorem okna energetycznego w module D/teX.. Rys.22. Dyfraktometr Rigaku Smartlab (IMN Gliwice). 22.

(25) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Dla promieniowania Mo Kα pomiary przeprowadzono dyfraktometrze Rigaku SmartLab (rys.22) z zastosowaniem lampy rentgenowskiej będącej źródłem promieniowania Mo Kα o długości fali 0.7093 Å, wyposażonego w punktowy detektor (licznik scyntylacyjny), monochromator grafitowy na wiązce ugiętej. Pomiary zostały wykonane w geometrii Bragga-Brentano przy zastosowaniu ruchomych szczelin pozwalających na przeprowadzenie pomiaru tego samego obszaru próbki w pełnym zakresie kątowym skali podwojonego kąta rozpraszania 2θ.. Rys.23. Dyfraktometr Rigaku Miniflex (IMN Gliwice) Pomiary z wykorzystaniem różnicowej analizy termicznej (DTA) oraz skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC) wykonano za pomocą kalorymetru typu STA 449 F3 Jupiter (Netzsch), pokazanego na rys.24. Pomiar wykonano w atmosferze argonu z szybkością nagrzewania/studzenia 10K/min, temperatura pracy do 9000C.. Rys.24. Kalorymetr Netzsch (IMN Gliwice) Analizy (tzw. Chi-scan’y) wykonano na wysokorozdzielczym skaningowym mikroskpie elektronowym INSPECT F50 z przystawkami EDS oraz EBSD (rys.25). Analizę fazową EBSD przeprowadzono za pomocą bazy faz – PDF RELEAZE 2011- ICDD oraz przystawki do analizy chemicznej w mikroobszarach EDS. Próbki do badań przygotowano na ściemniaczu jonowym RES101. 23.

(26) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.25. Skaningowy mikroskpie elektronowym INSPECT F50 z przystawkami EDS oraz EBSD (IMN OML Skawina). Badania mikrostruktury i analizy chemicznej wykonywano na wysokorozdzielczym transmisyjnym mikroskopie elektronowym Tecnai G2 20XT (200kV) z przystawką STEM i EDX firmy FEI (rys.26).. Rys.26. Mikroskop Tecnai (IMN OML Skawina) Do oceny jakości połączenia spoiwa oraz rdzenia miedzianego wybrano próbę tłoczności Erichsena oraz próby dwustronnego przeginania taśmy. Próba tłoczności Erichsena polegała na powolnym wtłaczaniu w próbkę dociśniętą do matrycy pierścieniem dociskowym zakończonego kulisto stempla do momentu powstania w próbce przechodzącego na wskroś pęknięcia i pomiarze głębokości wytłoczenia. Do przeprowadzenia prób przegotowano po pięć próbek taśmy o grubości 0,2mm i szerokości 55mm każdego z badanych spoiw Wykonano próby dwustronnego przeginania taśmy. Do wykonania próby przygotowano próbki po walcowaniu na grubości 0,2 mm i szerokości 55mm.. 24.

(27) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. 3.2 Wyniki badań własnych 3.2.1 Określenie rodzajów wad podczas wytwarzania spoiw warstwowych. Podczas procesu wytwarzania może powstawać szereg wad w przerabianym materiale, które powodują straty i są niekorzystne zarówno z powodów ekonomicznych jak również technologicznych. Do wad zaliczyć można:    . pęknięcia na krawędzi taśmy, rozwarstwienie się warstw podczas walcowania, nierównomierne rozmieszczenie warstw. łuska na powierzchni taśmy. Rys.27. Pęknięcia na krawędzi taśmy Ag38MnNi/Cu/Ag38MnNi wytworzonej w LMG Pęknięcia taśmy widoczne na rys.27 powstają najczęściej podczas walcowania na gorąco a następnie propagują się do środka taśmy podczas walcowania na zimno. Obecnie podczas przeróbki plastycznej taśma jest obcinana na krawędziach co eliminuje propagację pęknięć ale zmniejsza się szerokość taśmy.. Rys.28. Rozwarstwianie się taśmy Ag38MnNi/Cu/Ag38MnNi podczas walcowania na gorąco Rozwarstwienia taśmy widoczne na zdjęciu powyżej rys.28 powstają podczas walcowania na gorąco. W celu ograniczenia rozwarstwienia obecnie obcinane są początki oraz końce taśmy po walcowaniu. Konsekwencją tego zabiegu jest zwiększenie strat oraz zmniejszenie uzysku. 25.

(28) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.29. Nierównomierne rozmieszczenia warstw spoiwa oraz miedzi: A)-rozmieszczenie warstw prawidłowe, B)- nierównomierna grubość warstw. Nierównomierne rozmieszczenie taśm (rys.29) powstające podczas produkcji związane głownie z niewłaściwym doborem wymiarów pakietów oraz nieodpowiednią przeróbką materiału jest przyczyną odrzucenia produktu podczas kontroli jakości.. Rys.30. Łuska na powierzchni taśmy. A) ogólny widok spoiwa warstwowego (TK) B) powiększony widok powierzchni taśmy z wyraźną widoczną łuską (TK). Wadą dyskwalifikującą taśmę podczas kontroli jakości są złuszczenia na jej powierzchni pokazane na rys.30. 3.2.2 Badanie właściwości mechanicznych stopów Ag38MnNi oraz BAg-22 Wyniki badań właściwości mechanicznych spoiw w zależności od temperatury stosowanej w próbie rozciągania przedstawiono na rys.31 oraz rys.32. Stwierdzono interesującą zależność polegającą na liniowym spadku właściwości wytrzymałościowych przy jednoczesnym utrzymywaniu się plastyczności na jednym poziomie w całym zakresie badanych temperatur. Rys.34 przedstawia wykres umocnienia spoiwa Ag38MnNi w wyniku przeróbki plastycznej (walcowanie). Materiałem wyjściowym była taśma ≠3,5x50mm, która w 26.

(29) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. miarę postępu walcowania zmniejszyła swoją grubość do 0,10mm. Znaczący przerób plastyczny wynoszący około 96% liczony od pierwszego przepustu do końcowego zmienił się następująco: HV1-48%, R0,2-60%, Rm-180%. Osiągnięte umocnienie zmodyfikowanej taśmy (zgłoszenie patentowe), wyrażone w liczbie twardości w porównaniu do taśmy klasycznej jest porównywalne (rys.33 oraz rys.34). Jednakże przerób plastyczny (walcowanie) taśmy wykazał w przypadku materiału klasycznego powstawanie pęknięć już przy 91%, natomiast taśma o zmodyfikowanym składzie walcowana była ze zgniotem sumarycznym 96%. Właściwości mechaniczne spoiwa Ag38MnNi w zależności od temperatury rozciągania 35. 600. 34 33 32. 400. 31 30. 300. 29 200. A50 [%]. Rm,Rp0,2 [MPa]. 500. 28 27. 100. 26 25. 0 20. 300. 350 Rm MPa. 400 450 500 550 Temperatura Rp0,2 MPa A%. 600. Rys.31. Własności mechaniczne Ag38MnNi (zmodyfikowany skład) w zależności od temperatury stosowane w próbie rozciągania. Rys.32. Wykres umocnienia spoiwa Ag38MnNi-taśma o zmodyfikowanym składzie 27.

(30) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Właściwości mechaniczne spoiwa BAg-22 w zależności od temperatury rozciągania 600. 35 34 33 32. 400. 31 300. 30 29. 200. A50 [%]. Rm,Rp0,2 [MPa]. 500. 28 27. 100. 26 0. 25 20. 300. 350. 400. 450. 500. 550. 600. Temperatura Rm MPa. Rp0,2 MPa. A%. Rys.33. Własności mechaniczne BAg-22 w zależności od temperatury stosowane w próbie rozciągania. Rys.34. Wykres umocnienia spoiwa BAg-22 (taśma klasyczna). 28.

(31) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. 3.2.3 Mikrostruktura Ag38MnNi i BAg-22 Przeprowadzono badania mikrostruktur badanych pasów odlanych za pomocą linii odlewu ciągłego poziomego zarówno w środku jak również na krawędzi. Analizowano mikrostruktury taśm na grubości 0,51mm, które były oczyszczone na polerce z użyciem pasty polerskiej. Mikrostruktury pasów odlewanych pokazano od rys.35 do rys.40, mikrostruktur taśm od rys.41 do rys.44.. Rys.35. Mikrostruktura odlewanego Rys.36. Mikrostruktura odlewanego pasa pasa stopu Ag38MnNi (skład stopu BAg-22 (skład klasyczny) wzdłuż modyfikowany) wzdłuż kierunku kierunku odlewania środek x100 (MO) odlewania środek x100 (MO). Rys.37. Mikrostruktura odlewanego pasa stopu Ag38MnNi (skład modyfikowany) wzdłuż kierunku odlewania powierzchnia x100 brzeg góra (MO). Rys.38. Mikrostruktura odlewanego pasa stopu BAg-22 (skład klasyczny) wzdłuż kierunku odlewania powierzchnia x100 brzeg góra (MO). 29.

(32) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.39. Mikrostruktura odlewanego Rys.40. Mikrostruktura odlewanego pasa pasa stopu Ag38MnNi (skład stopu BAg-22 (skład klasyczny) wzdłuż modyfikowany) wzdłuż kierunku kierunku odlewania środek x1000 (MO) odlewania środek x1000 (MO). Rys.41. Mikrostruktura taśmy Rys.42. Mikrostruktura taśmy BAg-22 Ag38MnNi x500 (skład modyfikowany) x500 (skład klasyczny) (SEM) (SEM). 30.

(33) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.43. Mikrostruktura Ag38MnNi x1000 modyfikowany) (SEM). taśmy Rys.44. Mikrostruktura taśmy BAg22 (skład x1000 (skład klasyczny) (SEM). 3.2.4 Analiza fazowa Analizę ilościową wykonano za pomocą mikroanalizatora JXA 8230 firmy Jeol. Obserwowano mikrostruktury od powiększenie od 100 razy do 8000 razy (Rys 45). Przegląd mikrostruktury umożliwił uzyskanie jeszcze większej ilości szczegółów niż podczas obserwacji za pomocą mikroskopu optycznego. Ponadto wykonano punktową analizę składu chemicznego. Z przeprowadzonych badań wynika że najbardziej prawdopodobną fazą występującą jako szare obszary w obu stopach jest faza Cu45Zn30Mn12Ni8Ag5. Natomiast faza jasna odpowiadała składowi Ag78Zn15Cu4Mn3Ni co potwierdzało przeprowadzoną dyskusję dotyczącą występowania faz w zależności od składu stopu. Analiza liniowa składu chemicznego potwierdziła występowanie pierwiastków w obszarach warstwowych i ich zanik w spajanej taśmie miedzianej. Bardziej szczegółowe badania składu chemicznego wskazują, że pierwiastkami, które ulegają istotnie zauważalnej dyfuzji jest srebro i cynk. Wskazuje to na dobre dyfuzyjne połączenie taśmy z podłożem. Jest to skutkiem wyżarzania dyfuzyjnego po platerowaniu oraz walcowania w podwyższonej temperaturze około 6500C. Wykonano pomiary dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego z wykorzystaniem dwóch długości fali Mo Kα i Cu Kα. Przygotowano próbki w postaci taśmy o grubości 0,3mm. Przed wykonaniem pomiaru próbki zostały oczyszczone alkoholem z ewentualnych zanieczyszczeń powierzchniowych.. 31.

(34) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.45. Obrazy elektronowe typu kompozycja stop Ag38MnNi (skład modyfikowany) (SEM). Rys.46. Analiza jasnej i ciemnej fazy Ag38MnNi (skład modyfikowany) (SEM) Tabela 2. Wyniki analizy WDS (SEM) punktów zaznaczonych na rys.46(ciemny obszar) %mas.. Punkt 1 2 3 średnia. Ag 5.4 5.5 3.6 4.8. Mn 10.4 10.3 11.4 10.7. Ni 8.5 7.9 10.5 9.0. Cu 47.4 46.9 42.3 45.5. Zn 28.3 29.4 32.3 30.0. Tabela 3. Wyniki analizy WDS (SEM) punktów zaznaczonych na rys.46(jasny obszar) % mas.. Punkt 4 5 6 średnia. Ag 78.0 75.2 75.0 76.0. Mn 3.3 3.9 3.3 3.5. Ni 0.7 0.8 0.6 0.7. Cu 3.7 5.6 5.5 4.9. Zn 14.4 14.5 15.6 14.9. 32.

(35) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.47. Analiza średnia, pow. 2000x, obszar analizy 60 µm x 45 µm Ag38MnNi (skład modyfikowany) (SEM) Tabela 4. Średnia analiza obszaru rys.47%mas. średnia Mn Ni Cu Zn Ag. mas.% 7.3 5.0 28.3 22.7 36.6. atom% 9.9 6.3 32.9 25.7 25.1. Rys.48. Obrazy elektronowe typu kompozycja stop BAg-22 (skład modyfikowany) (SEM). 33.

(36) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.49. Analiza jasnej i ciemnej fazy BAg-22 (skład klasyczny) (SEM) Tabela 5. Wyniki analizy WDS (SEM) punktów zaznaczonych na rys.49 (ciemny obszar) %mas. Punkt Ag Mn Ni Cu Zn 1 3.9 13.3 13.4 34.8 34.7 2 4.1 13.6 13.6 34.7 34.0 3 3.9 14.0 13.6 35.6 32.9 średnia 4.0 13.6 13.5 35.0 33.9 Tabela 6. Wyniki analizy WDS (SEM) punktów zaznaczonych na rys.49 (jasny obszar) %mas. Punkt Ag Mn Ni Cu Zn 4 75.2 3.8 0.5 4.4 16.1 5 75.0 3.6 0.6 5.1 15.7 6 76.8 3.7 0.5 3.8 15.3 średnia 75.7 3.7 0.5 4.4 15.7. Rys.50. Obszar poddany analizie uśrednionego składu chemicznego spoiwa BAg-22 (SEM) 34.

(37) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Tabela 7. Średnia analiza WDS (SEM) obszaru rys.50 %mas. średnia Mn Ni Cu Zn Ag. mas.% 7.8 5.7 16.6 22.4 47.5. atom% 11.1 7.6 20.4 26.7 34.3. Do badań przygotowano próbki z taśm walcowanych na grubość 0,3mm. Wycięto próbki o wymiarach 10x10mm. Próbki przed analizą dyfrakcji rentgenowskiej zostały oczyszczone wodą destylowaną oraz acetonem. Wyniki badań dwóch rodzajów spoiw przedstawiono poniżej. Wyniki omówiono w punkcie 5 niniejszej rozprawy.. Rys.51. Natężenia dyfrakcji rentgenowskiej zmierzone dla stopu Ag38NiMn i BAg-22 przy użyciu lampy rentgenowskiej dającej promieniowanie Cu Kα. Zaznaczono istnienie dwóch głównych faz krystalograficznych oraz zanieczyszczenia.. 35.

(38) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.52. Natężenia dyfrakcji rentgenowskiej zmierzone dla stopu Ag38NiMn i BAg-22 przy użyciu lampy rentgenowskiej dającej promieniowanie Mo Kα.. Rys.53. Porównanie głębokości wnikania promieniowania rentgenowskiego dla promieniowania Mo Kα i Cu Kα dla stopu Ag38NiMn i BAg-22.. 36.

(39) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. Rys.54. Porównanie natężeń dla stopu Ag38NiMn próbek zmierzonych przy użyciu promieniowania Mo Kα i Cu Kα. W celu porównania wyników dla różnych energii promieniowania znormalizowano skale z 2theta w skali kątów do wspólnej skali wektora rozpraszania K.. Rys.55 Porównanie natężeń dla stopu BAg-22 zmierzonych przy użyciu promieniowania Mo Kα i Cu Kα. W celu porównania wyników dla różnych energii promieniowania znormalizowano skale z 2theta w skali kątów do wspólnej skali wektora rozpraszania. 37.

(40) Określenie optymalnych parametrów wytwarzania taśm trójwarstwowych ze spoiw twardych…. 3.2.5 Badanie rozpływności Na rys.56-58 przedstawiono wyniki badań rozpływności polegające na osadzeniu dwóch lutów AG38MnNi i BAg-22 i stopieniu ich w warunkach procesowych na podłożu stalowym. W tym celu przygotowano próbki lutu o wadze 5g w postaci taśmy o grubości 0,30mm. Próbki lutów pokryto topnikiem chlorkowo-fluorowego o masie równej połowie masy lutu z uwagi na lutowanie w atmosferze powietrza. Bezpośrednio przed próbami podłoże stalowe oczyszczono papierem ściernym 400 i odtłuszczono roztworem tetrachloroetenu. Próby wykonano w piecu komorowym nagrzanym do temperatury równej 800 0C, czas trwania procesu 10 minut.. Rys.56. Płytka ze stali ze stopionymi spoiwami Ag38MnNi oraz BAg-22 (MO). Rys.57. Widok rozpływności stopu BAg-22 x50 (MO). Rys.58. Widok rozpływności Ag38MnNi x50 (MO). Miarą rozpływności lutu jest wielkość powierzchni materiału lutowanego, na której rozpłynął się stopiony lut. Pole powierzchni stopionych lutów wyznaczono za pomocą programu komputerowego stream motion. Badane spoiwo BAg-22 wykazało rozpływność na płytce stalowej o składzie chemicznym zgodnie z tab.1 380 mm2. spoiwo o składzie zmodyfikowanym Ag38MnNi wykazało rozpływność 475 mm2. Dla zastosowanego podłoża stalowego lut o zmodyfikowanym składzie osiągał lepsze wyniki rozpywności aniżeli lut klasyczny normowany BAg-22. Próby badania rozpływności nie ujęte w niniejszej dysertacji również potwierdziły, że zaproponowane spoiwo Ag38MnNi osiąga podobne wartości rozpływności na innych podłożach.. 38.