2. Aplikacja stopów amorficznych na przykładzie spoiwa do lutowania na osnowie niklu

Transkrypt

1 2. Aplikacja stopów amorficznych na przykładzie spoiwa do lutowania na osnowie niklu Open Access Library Volume Lutowanie jest metod szczególnie odpowiedni do miniaturyzacji oraz rozwi za wielowariantowych poł cze ró nych materiałów. Racjonalny dobór materiałów dodatkowych, konstrukcji poł czenia oraz parametrów procesu lutowania prowadzi do uzyskania zł czy wysokiej jako ci, niezawodnych w eksploatacji. Niestety w wielu przypadkach nie mo na dokonać tego rodzaju optymalizacji w sposób zadowalaj cy, gdy cz sto skład chemiczny nie pozwala na wytworzenie spoiwa do lutowania w wybranej postaci. Ró norodno ć postaci stosowanych spoiw do lutowania wi e si przede wszystkim z ich zdolno ci do odkształcenia plastycznego [4]. Spoiwa o zadowalaj cej odkształcalno ci produkuje si w postaci blach, ta m, folii i drutów. Natomiast spoiwa kruche wytwarza si głównie w postaci g sek, sztabek, pr tów, proszków i past. Do tego rodzaju stopów nale równie spoiwa do lutowania twardego na osnowie niklu [4]. Nikiel i luty na jego osnowie stosuje si do spajania metali i stopów pracuj cych w podwy szonych temperaturach, b d metali i stopów o wysokiej temperaturze topnienia. Najwa niejszymi dziedzinami techniki, w których stosuje si spajanie lutami na osnowie niklu s przemysł energetyczny, lotniczy, rakietowy, motoryzacyjny oraz spo ywczy, a tak e jubilerstwo. Istotn grup stanowi stopy typu: Ni-Cr-B, Ni-Cr-Si, Ni-Cr-B-Si, Ni-B-Si, Ni-B-Fe-P-Si, Ni-P, Ni-Cr-P. Najcz ciej spotykane luty na osnowie niklu z powodu ich krucho ci s produkowane głównie w postaci proszków lub past. U ywa si ich do ł czenia stali: kwasoodpornych, nierdzewnych, arowytrzymałych i aroodpornych nadstopów, a tak e ceramiki. Obecno ć w strukturze omówionych spoiw na osnowie niklu, w znacznych obj to ciowo udziałach, kruchych i twardych faz mi dzymetalicznych uniemo liwia uzyskanie z nich ta m przez obróbk plastyczn i ciepln, zaw aj c ich asortyment postaciowy. Szans wypełniania istniej cej luki postaciowej tej grupy lutów stworzyło ci głe odlewanie cieczy metalicznej w warunkach pr dko ci chłodzenia rz du K s -1. Uzyskane t metod ta my mog osi gać grubo ć ok µm i struktur amorficzn [25, 26]. W ród interesuj cych własno ci ta m, na szczególn uwag zasługuje ich plastyczno ć uzasadniaj ca ich wykorzystanie w procesie lutowania. Materiał dodatkowy w postaci plastycznej ta my ułatwia dozowanie spoiwa, a tak e umo liwia formowanie skomplikowanych kształtek odwzorowuj cych kształt 20 D. Szewieczek

2 Wybrane materiały amorficzne i nanokrystaliczne stopów na osnowie Ni lub Fe ł czonych powierzchni. Wymiary geometryczne ta m, w tym szczególnie mała grubo ć koreluje z wymaganiami konstruowania poł cze szczelnych oraz o wysokich własno ciach wytrzymało ciowych. Pierwszymi spoiwami do lutowania twardego otrzymywanymi w ko cu lat siedemdziesi tych XX wieku w postaci ta m o strukturze amorficznej były wła nie luty na osnowie niklu [25]. W roku 1979 został opublikowany patent firmy Allied Chemical opisuj cy jednorodne plastyczne ta my do lutowania ze stopów na osnowie niklu zawieraj ce w % at.: 0 21 Cr, 0 4 Fe, 0 16 B, 0 19 Si, 0 22 P. Sumaryczno ć Ni, Cr i Fe mo e zmieniać si w tych stopach w zakresie % at., za sumaryczna zawarto ć metaloidów B, Si i P w zakresie 16 24% at. Amorficzne spoiwa do lutowania wytwarzane przez wiod c w wiecie w tej dziedzinie ameryka sk firm s oznaczone symbolem MBF (Metglas Brazing Foil) [27]. Do opracowa technologicznych wybrano spoiwa na osnowie niklu pochodz ce ze znormalizowanej w USA serii BNi. Wyboru dokonano bior c pod uwag, e składy chemiczne tych spoiw s od dawna sprawdzone, a wobec bardzo szerokiego zakresu składów chemicznych zastrze onych w ameryka skim patencie [27] (patent nie jest chroniony w Polsce) istniała niewielka mo liwo ć omini cia zastrze e patentowych, co sugerowało celowo ć na ladownictwa. Po dokonaniu szczegółowego rozeznania literaturowego, a tak e w oparciu o wyniki przeprowadzonej ankiety w zakładach przemysłu krajowego oraz sugestie zespołu konsultacyjnego powołanego dla realizowanej pracy [28], wytypowano ostatecznie spoiwa BNi-2, BNi-6, reprezentuj ce odpowiednio nast puj ce grupy stopów: Ni-Cr-Fe-Si-B, Ni-P (tabl. 1). Tablica 1. Zestawienie składu chemicznego stopów u ytych do bada Oznaczenie stopu Pierwiastki składowe, % mas. wg AWS wg ACC Cr Si Fe B P C inne Ni BNi-2 MBF- 20/20A 7,0 4,5 3,0 3,1-0,02 0,05 reszta BNI-6 MBF - 60/60A ,0 0,01 0,05 Aplikacja wybranych stopów polegała na wytworzeniu z nich amorficznych ta m, z nast pnym wykorzystaniem ich w procesie lutowania twardego [28-32]. Próby odlewania ta m z badanych stopów przeprowadzono metod PFC b d c podstaw przemysłowego wytwarzania szerokich ta m amorficznych, która polega na odlewaniu strugi 2. Aplikacja stopów amorficznych na przykładzie spoiwa do lutowania na osnowie niklu 21

3 Open Access Library Volume ciekłego metalu na powierzchni wiruj cego b bna przy u yciu dyszy szczelinowej, której dolna kraw d nakłada wi zy mechaniczne na jeziorko ciekłego stopu [8-12]. Podane w literaturze [8-12] ogólne zale no ci wymiarów ta m od podstawowych parametrów procesu stanowi cenne wskazówki w poszukiwaniu optymalnych warunków otrzymywania ta m amorficznych. Jednak dopiero przeprowadzenie serii eksperymentów i uzyskanie du ej powtarzalno ci wyników mo e być podstaw do uznania pewnego zbioru parametrów za optymalny. Maksymalna grubo ć plastycznej ta my, mo liwej do otrzymania metodami ci głego odlewania, uzale niona jest od czynników: materiałowego (tj. zdolno ci do zeszklenia stopu zdeterminowanej jego składem chemicznym) i technologicznego (tj. parametrów procesu). Doboru parametrów procesu ci głego odlewania ta m z badanych stopów dokonano w oparciu o nast puj ce ich charakterystyki: grubo ć maksymaln (wynikaj c ze zdolno ci do zeszklenia stopu), szeroko ć 10 mm, plastyczno ć pozwalaj c na zgi cie ta my o k t 180, poprawn jako ć powierzchni i brzegów, struktur amorficzn. Warto ci grubo ci ta m amorficznych otrzymanych metod PFC w funkcji parametrów procesu (pr dko ci liniowej b bna i ci nienia gazu wypychaj cego) przedstawiono na rys. 4. Zgodnie ze znanymi tendencjami grubo ć odlanych ta m rosła wraz ze wzrostem ci nienia gazu wypychaj cego oraz ze zmniejszaniem si pr dko ci liniowej b bna. Wyniki bada wi ce parametry procesu odlewania z grubo ci i jako ci ta m przedstawiono na przykładzie stopu Ni 89 P 11. Zaznaczono na nich graniczn lini pomi dzy obszarami parametrów, przy zastosowaniu których uzyskuje si ta my amorficzne o brzegach gładkich i postrz pionych. W obszarze parametrów, dla których ta my miały poprawn jako ć powierzchni i brzegów, dodatkowo wyodr bniono zakres parametrów, przy którym grubo ć ta m osi gała warto ci maksymalne. Ten zbiór parametrów uznano za optymalny i spełniaj cy zało one charakterystyki ta m z badanych stopów. Przy zastosowaniu wyznaczonych parametrów dla stopu Ni 81,8 Cr 7 Fe 3,5 Si 4,5 B 3,2 tj. v = m s -1 oraz p = kpa mo na uzyskać ta my grubo ci od 45 do 52 µm. Dla stopu Ni 89 P 11 ta my o grubo ci od 33 do 44 µm mo na wytworzyć przy v = m s -1 oraz p = kpa [28-30]. 22 D. Szewieczek

4 Wybrane materiały amorficzne i nanokrystaliczne stopów na osnowie Ni lub Fe Rysunek 4. Wykres zale no ci grubo ci (µm) ta m amorficznych ze stopu Ni 89 P 11 odlanych metod PFC w funkcji parametrów procesu Na podstawie uzyskanych wyników bada opracowano instrukcje technologiczne produkcji ta m amorficznych ze stopów Ni 81,8 Cr 7 Fe 3,5 Si 4,5 B 3,2 (BNi-2), Ni 89 P 11 (BNi-6) o zało onych wymiarach i jako ci. Przydatno ć amorficznych spoiw w postaci ta m do lutowania wysokotemperaturowego przedstawiono na przykładzie spoiwa Ni-P/BNi-6 [28-32]. Stop wst pny Ni-P o zawarto ci 14% P wytworzono wykorzystuj c egzotermiczny charakter syntezy fosforków niklu z czystych składników. Stop wyj ciowy do odlewania ta m o nominalnym składzie Ni 89 P 11 uzyskano według ogólnych wskaza dotycz cych wytapiania lutów z zastosowaniem stopów wst pnych. Wła ciwy dobór parametrów odlewania pozwolił na wytworzenie ta m amorficznych o grubo ci od 30 µm do 44 µm i szeroko ci 10 mm [29, 30]. Wytworzona ta ma ma struktur amorficzn. Na dyfraktogramie obserwuje si jeden pr ek o rozmytej linii dyfrakcyjnej charakterystycznej dla materiałów o strukturze amorficznej (rys. 5). Przełom ta m po dekohezji w te cie plastyczno ci (zginanie) jest ci gliwy z charakterystycznym wzorem yłkowym typowym dla materiałów amorficznych (rys. 6), a plastyczno ć wynosi = Aplikacja stopów amorficznych na przykładzie spoiwa do lutowania na osnowie niklu 23

5 Open Access Library Volume Rysunek 5. Dyfraktogram amorficznego stopu Ni 89 P 11 Rysunek 6. Zdj cie struktury powierzchni przełomu amorficznego stopu Ni 89 P 11 po dekohezji w te cie plastyczno ci; pow. 3000x Warunki technologiczne stosowania ta m ustalono przeprowadzaj c przykładowy proces lutowania próbek stali H23N18 w elektrycznym piecu pró niowym firmy TORVAK, w temperaturze 1065ºC (1338 K) przez 10 min. Szczelin pomi dzy ł czonymi elementami próbek do bada wytrzymało ciowych na rozci ganie i cinanie poł cze wyznaczały okre lone grubo ci ta my: 30 µm i 2x30 µm (rys. 7). 24 D. Szewieczek

6 Wybrane materiały amorficzne i nanokrystaliczne stopów na osnowie Ni lub Fe Pojedyncza (30 µm) lub podwójna (60 µm) warstwa ta my amorficznej Rysunek 7. Schemat próbek do bada wytrzymało ciowych poł cze lutowanych: a) badania wytrzymało ci na rozci ganie R m, b) badania wytrzymało ci na cinanie R t Obserwacje struktury poł czenia lutowanego przeprowadzono na mikroskopie wietlnym AXIOVERT 405. Wyniki bada wykazały, e zarówno własno ci wytrzymało ciowe poł cze jak i ich struktura pozostaj w zale no ci z grubo ci u ytej ta my. Wytrzymało ć na rozci ganie R m zmieniła si od 145 MPa dla próbek lutowanych ta m o grubo ci 30 µm do 88 MPa dla próbek lutowanych z u yciem ta my o grubo ci 60 µm. Dla próbek lutowanych ta m o grubo ci 30 µm wytrzymało ć na cinanie R t wynosiła 100 MPa, a dla ł czonych ta m o grubo ci 6 µm 63 MPa. Zastosowanie ta my-wkładki o wi kszej grubo ci prowadziło do spadku warto ci zarówno R m, jak i R t o około 40%. Otrzymane poł czenia charakteryzowały si prawie 100% wypełnieniem szczeliny przez materiał lutu, podczas gdy American Welding Society w odniesieniu do zł czy odpowiedzialnych uznaje za wystarczaj ce pokrycie powierzchni ł czonych w 85%. Ocena jako ci poł cze lutowanych, dokonana na podstawie makroskopowych obserwacji kształtów wypływek lutu, pozwoliła równie na okre lenie ich jako poprawne. W wi kszo ci poł cze obserwowano prawidłowe wypływki o kształcie wkl słym, dowodz cym dobrego przylegania lutu do materiału rodzimego (rys. 8). 2. Aplikacja stopów amorficznych na przykładzie spoiwa do lutowania na osnowie niklu 25

7 Open Access Library Volume Rysunek 8. Zdj cie struktury wypływki lutu z poł czenia lutowanego o prawidłowym wkl słym kształcie (próbka nietrawiona) a) b) Rysunek 9. Zdj cie struktury zł cza lutowanego stali ta m ze stopu Ni 89 P 11 o grubo ci 30 µm; a) zgład nietrawiony, b) zgład trawiony (HF + HNO 3 ); pow. 500x 26 D. Szewieczek

8 Wybrane materiały amorficzne i nanokrystaliczne stopów na osnowie Ni lub Fe We wszystkich próbkach, niezale nie od zastosowanych parametrów lutowania, struktury zł cz były jako ciowo podobne. W badanych zł czach mo na było wyró nić materiał rodzimy oraz stref wła ciwego poł czenia o zmiennej szeroko ci wyznaczonej grubo ci u ytej ta mywkładki (rys. 9 i 10). W przypadku u ycia ta my o grubo ci 30 µm struktur lutowiny stanowiły roztwór stały -(Ni, Fe, Cr, P) oraz faza mi dzymetaliczna typu (Ni, Cr, Fe) 2 P. Lutowina uzyskana przy u yciu ta my o grubo ci 60 µm miała struktur składaj c si z obszaru roztworu stałego -(Ni, Fe, Cr, P) oraz drobnoziarnistej eutektyki typu (Ni, Cr, Fe) 3 P. Ró nice w składzie chemicznym i morfologii opisanych struktur lutowiny wiadcz o ró nych warunkach dyfuzji przebiegaj cej w obr bie lutowiny i materiału rodzimego w zale no ci od grubo ci u ytej ta my-wkładki. a) b) Rysunek 10. Zdj cie struktury zł cza lutowanego stali ta m ze stopu Ni 89 P 11 o grubo ci 60 µm; a zgład nietrawiony, b zgład trawiony (HF + HNO 3 ); pow. 500x 2. Aplikacja stopów amorficznych na przykładzie spoiwa do lutowania na osnowie niklu 27