Warstwy pośrednie nakładane metodą tamponową

Transkrypt

1 JarosławGrześ Warstwy pośrednie nakładane metodą tamponową intermediate layers deposited by the brush plating method Streszczenie Wartykuleprzedstawionowynikibadańwarstwpośrednichnakładanychmetodątamponową Przedmiotembadańbyływarstwymetalowe(CuNi) i warstwy kompozytowe (Cu+Al Ni+Al ) zastosowanedospajaniaceramikizmetalamimateriałyłączonometodązgrzewaniadyfuzyjnegoprzedstawionowynikibadańmetalograficznychpomiarówmikrotwardości iwynikipróbścinaniaotrzymanychzłączy abstract The paper presents the results of the investigation of intermediate layers deposited by the brush plating method The metal (Cu Ni) and composite metal-ceramic(cu+al Ni+Al )intermediatelayershavebeen producedinframeoftheresearchthediffusionbonding methodwasusedtoobtainceramic-metaljointswithintermediatelayersresultsofmetallographymicrohardness andshearingtestsofceramic-metaljointsarepresented Wstęp Jednym z najważniejszych problemów w praktyce spajania ceramiki z metalami jest występowanie w złączu spajanym znacznych naprężeń własnych wynikających z różnic właściwości fizycznych i mechanicznych łączonych materiałów Na poziom generowanych naprężeń istotny wpływ ma różnica między współczynnikami rozszerzalności cieplnej ceramiki i metalu oraz moduł sprężystości podłużnej i granica plastycznościmetalu W celu zmniejszenia poziomu generowanych w złączu naprężeń stosuje się rozwiązania konstrukcyjne (najczęściej polegające na zmianie kształtu i wymiarów elementów złącza) oraz technologiczne (min zastosowanie warstw lub przekładek kompensacyjnych) [1] Kompensacyjne warstwy pośrednie lub przekładki mogą być wykonane z materiałów o wysokiej plastyczności (np miedzi) lub materiałów dla których wartość współczynnika rozszerzalności cieplnejjestpośredniawstosunkudowartościcharakteryzującej łączone materiały Zastosowanie znajdują równieżmateriałyzgradientemwłaściwości Dr inż Jarosław Grześ PolitechnikaWarszawska Warstwy pośrednie są wytwarzane kilkoma metodami Do najbardziej rozpowszechnionych należy metoda metalizacji proszkowej Stosuje się również chemiczne lub galwaniczne metody nakładania warstw pośrednich Metoda tamponowa (ang brush plating, selective plating, spot plating, swab plating) jestjednązodmiangalwanicznegonakładaniawarstw i powłok W metodzie tej elektrolit jest przenoszony na powierzchnię elementu pokrywanego za pomocą tamponu który jest nasunięty na elektrodę połączoną z dodatnim biegunem źródła prądu Element pokrywany połączony jest z ujemnym biegunem źródła prąduźródłoprądustanowiprostownikookreślonych parametrach prądowo-napięciowych W porównaniu ztypowymprocesemnakładaniagalwanicznegometodatamponowamanastępującezalety: krótszyczasnakładaniapowłoki(ok10 0razy), niższykosztprocesu(zewzględunaznacznąmateriało-ienergooszczędność), łatwośćobsługistosowanychurządzeńiichmobilność, możliwośćjestnakładaniawarstwzarównonapodłożametaliczneiniemetaliczne(pouprzednimwytworzeniuwarstwyprzewodzącejdowolnąmetodą) Stosowane w metodzie tamponowej elektrolity umożliwiają nakładanie warstw (powłok) charakteryzujących się takimi właściwościami jak: wysoka odpornośćnazużycieikorozjęwysokatwardośćdobra 48 Przegląd spawalnictwa 6/011

2 tablica IWybraneelektrolityiichwłaściwości[] table ISelectedplatingsolutionsandtheirproperties[] Nazwaelektrolitu K j g/l Ah/dm * µm S o µm/min Q E dm /l*µm Uwagi CopperAlkaline ,079 9,8 710,0 niskienaprężeniawewnętrznedobraprzyczepność CopperHighBuildAlkaline 80 0,079 9,8 953,6 niskienaprężeniapozostającewysokacena NickelHighSpeed 50 0,104 1,7 56,9 NickelCompactHighSpeed 50 0,113 1,7 56,9 LowStressNickel 75 0,,5 1073,0 niskaporowatośćinaprężeniawewnętrzne Cobalt 67 0,057 3,0 84,9 wysokacena Indium 65 0, ,7 95,6 jw CadmiumLowHydrogen Non-Embritling 100 0,00 30,0 11,0 jw SilverSolution 67,3 bd 1,7-5,4 1905,0 jw IronSolution 0 0,848 0,05 30,4 Tin 50 0,01 17,0 481,1 K j koncentracjajonówmetaluwelektroliciep współczynnikzużyciamocys o szybkośćnakładaniaq E wydajnośćelektrolitu Metalowe warstwy pośrednie zwilżalnośćpowierzchnistwarzająrównieżdużemożliwościwzakresiebudowywarstwwtablicyiprzedstawiono wybraneelektrolity produkcji chińskiej mogące miećzastosowaniedonakładaniawarstwpośrednich Wartykuleprzedstawionowynikibadańnadzastosowaniem metody tamponowej do nakładania warstw pośrednich będące wynikiem prac badawczych prowadzonychwzakładzieinżynieriispajaniapolitechniki Warszawskiejipoświęconychprocesomłączeniaceramikizmetalami Wramachpróbspajaniaceramikizmetalamizwykorzystaniemmetalowychwarstwpośrednichnakładanych metodą tamponową wykonano dwa rodzaje złączyceramika-metal PierwszeznichtoceramikatlenkowaAl zgrzewanadyfuzyjniezfoliąmiedzianąogrubości0,1mm Zastosowano warstwy pośrednie Cu o grubości tablica IIParametrynakładaniawarstwpośrednichCuiNi table II ThedepositionparametersofCuandNiintermediatelayers Warstwa pośrednia Cu Ni Elektrolit Copper Alkaline 1 Nickel High Speed Napięcie nakładania V Czas nakładania s 300 (dla g = 10 μm) (dla g = 30 μm) Prędkość przesuwu elektrody, m/min ok ok 4 tablica III Parametryzgrzewaniadyfuzyjnego table IIITheparametersofdiffusionbonding Złącza Grubość warstwy pośredniej μm Temperatura zgrzewania o C Czas zgrzewania s Docisk wstępny/ końcowy MPa Próżnia Tr Cu-Cu-Al /10 *10-5 St3S-Ni-Si /10 4*10-6 Szybkość nagrzewania 30 o C/min, szybkość chłodzenia 15 o C/min 10i30μmnałożonenapowierzchnięceramikiAl Przed nałożeniem warstwy pośredniej powierzchnię ceramikioczyszczonoiodtłuszczononastępnienałożonochemiczniecienkąwarstwęprzewodzącąmiedzi Drugi rodzaj badanych złączy stanowiła ceramika azotkowa Si 3 zgrzewana dyfuzyjnie ze stalą St3S ZastosowanowarstwępośredniąNiogrubości40μm nałożoną na powierzchnię stali St3S Przed nałożeniem warstwy pośredniej powierzchnię stali przygotowano stosując standardową procedurę przewidzianą w metodzie tamponowej (czyszczenie elektrolityczne za pomocą elektrolitu Electroclean-1 i aktywowanie za pomocą elektrolitu Activator-) Następnie w celu zwiększenia przyczepności warstwy pośredniej nałożonowarstwępodkładowąnizelektrolitunickelspecialogrubościok1μm Metalowe warstwy pośrednie Cu i Ni nakładano stosującparametrypodanewtablicyii Próby zgrzewania dyfuzyjnego przeprowadzono stosując różne czasy oraz temperatury zgrzewania Pozytywnewynikiotrzymanodlaparametrówzgrzewania zamieszczonych w tablicy III W przypadkual zgrzewanego dyfuzyjnie z folią miedzianą z wykorzystaniem warstwy pośredniej Cu o grubości 10 μm nie otrzymanotrwałegopołączenia Dla otrzymanych złączy przeprowadzono badania metalograficzne rozkładów liniowych i powierzchniowych pierwiastków oraz pomiary mikrotwardości Na podstawie badań metalograficznych złączy Cu-Cu-Al stwierdzonoznacznierozdrobnionąstrukturęwarstwy pośredniejcu(rys1a)nagranicyjejpołączeniazfolią miedzianą zaobserwowano występowanie niewielkiej porowatości W przypadku złączy St3S--Ni-Si 3 (rys1b)brakjestwidocznychwadśredniamikrotwardość(hv 0,05) warstwy pośredniej Cu wynosiła 11 awarstwypośredniejni 45Narysunkuprzedstawionorozkładyliniowepierwiastków Przeprowadzone próby wykazały przydatność metody tamponowej do nakładania warstw pośrednich Istotnym parametrem obok parametrów zgrzewania Przegląd spawalnictwa 6/011 49

3 mającymwpływnapowstaniezłączaoraznajegowytrzymałośćjestwłaściwydobórgrubościwarstwypośredniej Rys 1Strukturazłączy:a)złączeCu-Cu-Al b)złączest3s-ni-si 3 Fig 1 Thecross-sectionofjoints:a)Cu-Cu-Al b)st3s-ni-si 3 Rys Rozkłady liniowe pierwiastków: a)złączecu-cu-al b)złączest3s-ni-si 3 Fig Linearelementsdistributioninjoints: a)cu-cu-al, b)st3s-ni-si 3 Warstwy pośrednie z gradientem składu Metoda tamponowa umożliwia nakładanie warstw kompozytowychmetalowo-ceramicznychwłaściwości warstw(minmikrotwardośćstrukturazawartośćfazy ceramicznej) nakładanych tą metodą zmieniają się wfunkcjinapięcianakładania[3]dzięki temuistnieje możliwośćnakładaniawarstwzgradientemwłaściwości(fgm)[4]najprostszysposóbwykorzystaniametody tamponowej do wytworzenia warstwy pośredniej wzłączucu-fgm-nizostałprzedstawionywpublikacji [5]Wtymartykuleprzedstawionowynikibadańzłączy wktórychwarstwępośredniąstanowiływarstwynanokompozytowefgmotrzymanewynikibadańomówionoczęściowowpublikacji[6]badaniabyłyrealizowane w ramach projektu KBN nr Z-KBN K011/T08/000 Nanomateriały metaliczne ceramiczne i organiczne: syntezabudowawłaściwościzastosowanie Badania wykonano na złączach stali niskowęglowej (St3S) z Al Jako warstwy pośrednie zastosowano gradientowe warstwy Cu + Al oraz Ni + Al nakładane metodą tamponową Nakładano je w dwóch wariantach: na powierzchnię stali (po uprzednim jej przygotowaniu wg standardowej proceduryobejmującejczyszczenieelektrolityczneaktywowanieinałożeniewarstwypodkładowejni warianti) oraz powierzchnię ceramiki (po uprzednim osadzeniu chemicznym Cu lub Ni wariant II) Warstwę Cu+Al nakładanozelektrolitucopperalkaline 1 natomiastwarstwęni+al zelektrolitunickelextreme High Speed domieszkowanych nanoproszkiem Al owielkościziarna80nmwilości30g/lzawartościproszkudobranonapodstawiewcześniejszychprób własnych mających na celu min dobór parametrów nakładania oraz dobór oprzyrządowania (uchwytów ielektrod)wceluotrzymaniapośredniejwarstwygradientowej nakładano kolejno trzy podwarstwy każdą przyinnymnapięciunakładaniapodstawoweparametrynakładaniapodanowtablicyiv Warstwypośrednienakładanozapomocąurządzenia DSQ-15 stosując uchwyty elektrodowe ZDB-1(II) Elektrolit podczas nakładania był mieszany w celu utrzymaniazawiesinynanoproszkuwelektrolicie Otrzymanewarstwypośredniepoddanopodstawowym badaniom metalograficznym wykonano pomiary mikrotwardości oraz określono wielkość krystalitów wykorzystując wyniki rentgenowskiej analizy fazowej tablica IVParametrynakładaniapośrednichwarstwgradientowych table IV ThedepositionparametersforintermediateFGMlayers Warstwapośrednia Elektrolit NapięcienakładaniaV Czasnakładania(wariantA/wariantB)s Cu+Al Ni+Al CopperAlkaline 1 NickelExtremeHighSpeed podwarstwa1 podwarstwa podwarstwa3 podwarstwa1 podwarstwa podwarstwa / / /300 1/ 1/ 1/ 50 Przegląd spawalnictwa 6/011

4 tablica VParametryzgrzewaniadyfuzyjnego table V Theparametersofdiffusionbonding Złącza Temperaturazgrzewania o C Czaszgrzewanias DociskMPa PróżniaTr ZłączabezpośrednieSt3S 1100 St3S Cu+Al St3S Ni+Al 1100 Szybkośćnagrzewania0 30 o C/minszybkośćchłodzenia<10 o C/min Badania metalograficzne wykazały prawidłową budowęwarstwztymżewprzypadkuwarstwyni+al stwierdzono występowanie niewielkich pęknięć na jej przekrojupomiarymikrotwardościwykonanonazgładach przekrojów poprzecznych badanych warstw Mikrotwardość (HV 0,0) warstw Cu + Al wynosiła: (podwarstwa 1) 11 8 (podwarstwa ) 55 98(podwarstwa3)DlawarstwNi+Al mikrotwardość zmieniała się od 485(przy podłożu) do 84 (przy powierzchni warstwy) Wielkość krystalitów Cu i Ni określono metodą Halla Dla miedzi wynosiły 15,65 19,41 nm natomiast dla niklu w granicach 11,08 1,95 nm Podczas badań zaobserwowano złuszczanie się warstw pośrednich zarówno Cu+Al jakini+al nakładanychnapodłożuceramicznym(wariant II)świadczące o ich niskiej przyczepnościdopodłoża Zgrzewaniu dyfuzyjnemu poddano walcowe próbkist3sial ośrednicy10mmiwysokości5mm Złącza bezpośrednie St3S-Al wykonano w celach porównawczych Po wstępnych próbach zgrzewania dyfuzyjnego (parametry podano w tablicy V) okazało się że nie uzyskano poprawnych złączy dla wariantu II Badania kontynuowano dla wariantu I i temperatur wyróżnionychwtablicyv Rys 4 Rozkłady liniowe pierwiastkówzłączy: a)st3s Cu+Al b)st3s Ni+Al Fig 4 Linear elements distributioninjoints: a)st3s Cu+Al b)st3s Ni+Al c) Rys 3 Przekroje poprzeczne złączę:a)st3s b)st3s Cu+Al Al c)st3s-ni+al -Al Fig 3 The cross section of joints:a)st3s Al b)st3s Cu+Al c)st3s Ni+Al Al Rys 5 Warstwapośredniawpołączeniużeliwo50 stopłożyskowył83(50x):a)ni-cub)ni-cu-ni Fig 5 Intermediate layer in cast iron bearing alloy joint (50x): a)ni-cub)ni-cu-ni Przegląd spawalnictwa 6/011 51

5 W ramach badań otrzymanych złączy wykonano podstawowe badania mikroskopowe badania rozkładów liniowych pierwiastków oraz próby ścinania złączanarysunku3przedstawionoprzekrojepoprzeczne złączy Zgłady metalograficzne zostały wykonane pod kątem 45 o do płaszczyzny przekroju poprzecznego aichpowierzchniapoddanazostałatrawieniuwidocznesąnieciągłościnagranicypołączeniast3s Al Na rysunku 4 przedstawiono rozkłady liniowe wybranychpierwiastkówwidocznajestdyfuzjanikluiżelaza Próbyścinaniawykonanodla10złączykażdegorodzaju Najwyższą wytrzymałość na ścinanie miały złącza zwarstwąpośredniąni+al (56 70MPa)najniższą złącza bezpośrednie St3S Al (1 6 MPa) WytrzymałośćzłączyzwarstwąpośredniąCu+Al mieściłasięwgranicach39 68MPa Podsumowanie Przedstawione w artykule wyniki prób łączenia metodą zgrzewania dyfuzyjnego wybranych materiałów ceramicznych (ceramika tlenkowa Al ceramika azotkowa Si 3 ) z metalami (Cu(MOOB) i stal St3S) wykazały przydatność stosowania metody tamponowej do wytwarzania warstw pośrednichwarstwypośredniemogąbyćnakładanejako warstwymetaloweorazjakowarstwykompozytowe (w tym z gradientem właściwości) Ze względu na znacznielepsząprzyczepnośćbadanychwarstwdo podłożametalicznegoniezalecasięichnakładania napodłożaceramicznezbadanychwarstwpośrednichnajwyższąwartościąwytrzymałościnaścinanie charakteryzowałysięwarstwyni+al Warstwy pośrednie nakładane metodą tamponową mogą być stosowane nie tylko przy łączeniu ceramiki z metalami Jednym z przykładów jest zastosowanie warstw pośrednich Ni-Cu i Ni-Cu-Ni wregeneracjipanewekżeliwnych(rys5) Stopyłożyskoweowielelepiejłącząsięzpodłożem np stalowym niż z podłożem żeliwnym Stąd głównym celem zastosowania warstwy pośredniej było zwiększenie przyczepności stopu łożyskowego Ł83 (wylewanego metodą odśrodkową) do powierzchniżeliwaszaregożl50 Badaniawykazałydobreprzyleganienałożonych warstwistopudopodłoża Literatura [1] Włosiński W: The joining of advanced materials Oficyna WydawniczaPolitechnikiWarszawskiejWarszawa1999 [] Brush plating solutions instruction manual China National MachineryImport&ExportCorporationBeijingBranch [3] GrześJ:PowłokikompozytoweCu+Si 3 ini+si 3 nakładanemetodątamponowąkompozytynr6/003wydawnictwopolitechnikiczęstochowskiej [4] GrześJ:MożliwościmetodytamponowejwzakresienakładaniapowłokmetalowychzgradientemwłaściwościPrace Naukowe Mechanikaz15WPWWarszawa006 [5] Barlak M Grześ J: The functionally gradient materials in the cooper-nickel joints Proceedings of 6th International ScientificConferenceCO-MAT-TECH 98Trnava1998 [6] Grześ J Pietrzak K: Spajanie materiałów z wykorzystaniem nanokompozytowych warstw z gradientem składu ArchiwumNaukioMateriałacht5nr4/003 Zakład Elementów Sprężystych i Lotniczych Sp z oo ulpodskarbińska3/34lok warszawa tel: fax81080, wwwkompensatory-mieszkoweplinfo@kompensatory-mieszkowepl ZESiL Sp z oo oferuje usługi: lutowania twardego przy użyciu lutów srebrnych mosiężnych imiedziano-fosforowych, lutowaniamiękkiegolutamicynowymi, montażu elementów z wykorzystaniem technik lutowania (wtymelementyciśnienioweipróżniowe) 5 Przegląd spawalnictwa 6/011