Aplikacja stopów amorficznych na przykładzie spoiwa do lutowania

Aplikacja stopów amorficznych na przykładzie spoiwa do lutowania

Open Access Library
Volume 4 2011
2. Aplikacja stopów amorficznych na przykładzie spoiwa
do lutowania na osnowie niklu
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 104÷106 K·s-1. Uzyskane t metod ta my mog
osi gać grubo ć ok. 30÷60 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
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
76÷84 % 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
wg AWS
wg ACC
BNi-2
MBF- 20/20A
BNI-6
MBF - 60/60A
Cr
7,0
-
Si
4,5
-
Pierwiastki składowe, % mas.
Fe
B
P
C
inne
Ni
3,0
3,1
0,02 ≤0,05
reszta
11,0 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
Open Access Library
Volume 4 2011
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 Ni89P11. 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 Ni81,8Cr7Fe3,5Si4,5B3,2 tj. v = 14÷16 m·s-1 oraz p = 40÷50 kPa mo na
uzyskać ta my grubo ci od 45 do 52 µm. Dla stopu Ni89P11 ta my o grubo ci od 33 do 44 µm
mo na wytworzyć przy v = 16÷20 m·s-1 oraz p = 30÷40 kPa [28-30].
22
D. Szewieczek
Wybrane materiały amorficzne
i nanokrystaliczne stopów na osnowie Ni lub Fe
Rysunek 4. Wykres zalecnoWci gruboWci (µm) taWm amorficznych ze stopu Ni89P11 odlanych
metod> PFC w funkcji parametrów procesu
Na podstawie uzyskanych wyników bada opracowano instrukcje technologiczne produkcji
ta m amorficznych ze stopów Ni81,8Cr7Fe3,5Si4,5B3,2 (BNi-2), Ni89P11 (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 Ni89P11 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 = 1.
2. Aplikacja stopów amorficznych na przykładzie spoiwa do lutowania na osnowie niklu
23
Open Access Library
Volume 4 2011
Rysunek 5. Dyfraktogram amorficznego stopu Ni89P11
Rysunek 6. Zdj cie struktury powierzchni przełomu amorficznego stopu Ni89P11
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
Wybrane materiały amorficzne
i nanokrystaliczne stopów na osnowie Ni lub Fe
Pojedyncza (30 µm) lub podwójna (60 µm) warstwa
taWmy amorficznej
Rysunek 7. Schemat próbek do bada wytrzymało ciowych poł cze lutowanych:
a) badania wytrzymało ci na rozci ganie – Rm, b) badania wytrzymało ci na cinanie – Rt
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 Rm
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 Rt 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 Rm, jak i Rt 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
Open Access Library
Volume 4 2011
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 Ni89P11 o grubo ci 30 µm;
a) zgład nietrawiony, b) zgład trawiony (HF + HNO3); pow. 500x
26
D. Szewieczek
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)2P.
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)3P.
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 Ni89P11 o grubo ci
60 µm; a – zgład nietrawiony, b – zgład trawiony (HF + HNO3); pow. 500x
2. Aplikacja stopów amorficznych na przykładzie spoiwa do lutowania na osnowie niklu
27