Металлы и сплавы различного назначения

Благородные металлы – серебро, золото, платина. К ним также относят металлы платиновой группы: палладий, иридий, родий, осмий, рутений. Высокая коррозионная стойкость обусловлена большим значением электрохимического потенциала. Они не окисляются в атмосферных условиях при комнатной и повышенной температуре. Отличаются высокой пластичностью, невысокой твердостью и прочностью. Эти свойства можно повысить холодной пластической деформацией.

Благородные металлы встречаются в природе в виде самородков и в различных рудах, из которых путем переработки удается получить металлы очень высокой чистоты. Большинство благородных металлов образуют между собой твердые растворы. Обладая низким сопротивлением, благородные металлы широко используются в качестве материалов для электрических контактов.

Серебро обладает наиболее высокой электропроводностью из всех материалов (ρ= 0,015 мкОм·м). Оно дешевле других благородных металлов, но дороже меди в 25 раз. Химическая стойкость серебра ниже, чем у других благородных металлов, коррозионная стойкость сохраняется до 200 °С. Высокая пластичность позволяет получать тонкую фольгу и проволоку диаметром до 0,01 мм. Серебро входит в состав многих контактных сплавов: от слаботочных до высоконагруженных контактов. Высокая теплопроводность обеспечивает наименьший нагрев контактов и быстрый отвод тепла. Серебро используют в качестве электродов при изготовлении керамических и слюдяных конденсаторов, для покрытия изделий из меди и латуни (серебрение) с целью защиты от окисления и повышения проводимости. Недостаток серебра – взаимодействие с сероводородом во влажном воздухе с образованием непроводящих пленок сульфида серебра Ag₂S. Поэтому его не следует применять рядом с материалами, содержащими серу: резиной, эбонитом и др.

Золото также обладает высокой пластичностью, тепло- и электропроводностью (ρ = 0,0225 мкОм·м), но более высокой коррозионной стойкостью, чем серебро, не окисляется, не образует сернистых пленок. Оно применяется для прецизионных контактов, работающих при малых нажатиях и низком напряжении, без дугового режима. Тонкие пленки применяются в качестве полупрозрачных электродов в фоторезисторах и полупроводниковых фотоэлементах. Из-за плохой адгезии к диэлектрическим подложкам пленки наносят вакуумным напылением на промежуточный слой хрома, реже меди. Механические свойства золота повышаются при образовании сплавов с никелем, платиной, упрочняемых закалкой со старением и сохраняющих высокие коррозионные свойства.

Платина имеет высокую пластичность, но среди всех благородных металлов наибольшее удельное сопротивление (ρ = 0,098 мкОм·м) и наименьшую теплопроводность. Поэтому в чистом виде для контактов не используется. Тонкие нити диаметром до 1 мкм используются для подвесов и струн в точных электроизмерительных приборах. Для платины характерна высокая химическая стойкость: окисление на воздухе происходит при температурах выше 540 °С. Сплавы платины с иридием и родием обладают более высокой твердостью и стойкостью к окислению до 1000 °С. Их применяют для термопар и ответственных прецизионных контактов в электроизмерительных приборах и радиоаппаратуре.

Палладий по свойствам близок к платине, часто служит заменителем платины, так как в 4–5 раз дешевле и в два раза легче. Стойкость к окислению ниже (металл тускнеет при температурах выше 350 °С). Характерная особенность твердого палладия – способность интенсивно поглощать водород (в более чем 850-кратном объеме по отношению к собственному объему). При нагреве в вакууме водород выделяется. Это свойство используется для заполнения водородом газоразрядных приборов. Сплавы палладия с серебром, золотом, иридием, медью, никелем применяют для прецизионных разрывных и скользящих контактов.

Родий, иридий, рутений и осмий используются в качестве легирующих элементов в контактных сплавах для повышения твердости. Из-за высокой стоимости контакты на основе металлов платиновой группы применяют в виде тонких покрытий на серебряном подслое.

Тугоплавкие металлы получают методами порошковой металлургии с использованием электровакуумных технологий выплавки и очистки. При нагревании на воздухе выше 600 °С окисляются с образованием летучих оксидов. В качестве нагревательных элементов работают только в вакууме или в защитной инертной среде. Тугоплавкие металлы имеют очень малое давление насыщенных паров – важное свойство при получении тонких пленок.

Вольфрам – материал электровакуумной техники. При ковке и волочении приобретает волокнистую структуру, проволока диаметром до 10 мкм имеет высокую прочность и гибкость. Вольфрам имеет небольшое удельное сопротивление (ρ = 0,055 мкОм·м). Применение вольфрама для изготовления нитей ламп накаливания впервые предложено А.Н. Лодыгиным в 1890 году. При высоких температурах нити и спирали из чистого вольфрама становятся пластичными и плохо сохраняют форму. В процессе рекристаллизации происходит интенсивный рост зерна до размеров поперечного сечения проволоки. Для улучшения свойств в вольфрам вводят присадки: оксид тория Th₂O₃ замедляет процесс рекристаллизации и препятствует росту зерна, оксиды кремния и алюминия улучшают формоустойчивость вольфрамовой проволоки.

Из вольфрама изготовляют катоды высокого напряжения мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок с рабочей температурой выше 2000 °С. Катоды из торированного вольфрама (с добавкой окиси тория) обладают стабильной эмиссией электронов и способны работать в высоком вакууме.

Вольфрам имеет наименьший температурный коэффициент линейного расширения среди всех чистых металлов и используется для изготовления термически стойких спаев с тугоплавкими стеклами. Вольфрам и его сплавы с молибденом, иридием, рением используют для нагревательных элементов, работающих выше 1200 °С, высоконагруженных разрывных контактов, термопар, измеряющих температуру до 3000 °С.

Молибден имеет малое удельное сопротивление (ρ = 0,05 мкОм·м). Он менее тугоплавкий и твердый металл, чем вольфрам. Отожженный молибден с мелкозернистой структурой пластичнее вольфрама, он широко используется для деталей сложной конфигурации.

Молибден используется для нагревательных элементов в высокотемпературных (до 1700 °С) электрических печах, работающих в защитной атмосфере. Изготовляют сетки, электроды электронных ламп и другие вспомогательные детали электровакуумных приборов (крючки, нити, подвески), работающие в напряженном тепловом режиме.

Сплавы вольфрама с молибденомобразуют твердые растворы во всем диапазоне концентраций. Сплавы, содержащие 45 % Мо, обладают максимальным удельным сопротивлением и твердостью, высокой эрозионной стойкостью. Применяют для высоконагруженных контактов в защитной среде, нитей накаливания электроламп и катодов подогрева. Сплавы имеют более высокие механические свойства, чем чистый вольфрам, но более низкие рабочие температуры.

Рений – твердый и прочный как вольфрам, пластичный как молибден, имеет высокое удельное сопротивление (ρ = 0,214 мкОм·м), стоек к дуге постоянного тока. Применяют в сплавах для высоконагруженных разрывных контактов, в производстве электровакуумных приборов. Меньше испаряется в атмосфере водорода, отличается длительным сроком службы. В радиоэлектронике рений применяют при производстве сверхточных навигационных приборов, для защиты от коррозии и износа деталей из меди, вольфрама и молибдена.

Тантал превосходит вольфрам по пластичности. Изготавливают проволоку и фольгу толщиной до 10 мкм. На поверхности образуется пленка Та₂О₅, устойчивая до 1500 °С. Это свойство используется при производстве электролитических и тонкопленочных конденсаторов высокой удельной емкости, получаемых путем анодного оксидирования.

Тантал широко используется в электровакуумной технике для ответственных деталей: анодов и сеток генераторных ламп, катодов накаливания. Благодаря способности поглощать газы, применяется в вакуумной аппаратуре в качестве стабилизатора высокого вакуума (геттера). Используется в тонкопленочных технологиях при производстве резисторов. На воздухе происходит активное растворение азота в танталовой пленке с образованием нитридной пленки Та₂N, обладающей высокой стабильностью свойств. Тантал применяется для изготовления пластин и проволоки в костной хирургии.

Хром обладает высокой стойкостью к окислению и используется для защитных покрытий изделий (хромирование), в том числе эксплуатируемых при повышенных температурах. Хром обладает хорошей адгезией к стеклу, керамике. Технология осаждения тонких пленок хрома на подложку используется в микроэлектронике. Хром входит в состав нержавеющих и жаропрочных сталей, сплавов для нагревательных приборов, термопар, магнитных материалов.

Ниобий по свойствам близок к танталу, обладая высокой способностью поглощать газы в интервале 400–900 °С, в электровакуумных приборах одновременно выполняет функции геттера. Ниобий имеет наименьшую работу выхода электронов и применяется в качестве катодов накаливания в мощных генераторных лампах.

Цирконий – обладает высокой пластичностью. Порошкообразный цирконий воспламеняется при температуре выше 75 °С. Тугоплавкие соединения циркония (карбиды, нитриды) имеют высокую электропроводность и применяются для изготовления анодов и сеток электронных приборов, пленок печатного монтажа.

Гафний – по внешнему виду напоминает сталь, обладает пластичностью и стойкостью к окислению до 900 °С. Используется для изготовления катодов рентгеновских трубок, а также как добавка к вольфраму, молибдену, танталу для увеличения срока службы.

Металлы со средним значением температуры плавления. Наиболее часто применяются в электронной технике железо, никель и кобальт, которые обладают ферромагнитными свойствами.

Железо – дешевый металл. Удельное сопротивление чистого железа (0,1 мкОм·м) в 6–7 раз больше, чем меди. В качестве проводникового материала используется мягкая сталь, содержащая 0,1–0,15 % углерода, имеющая предел прочности при растяжении 700–750 МПа и относительное удлинение при разрыве 5–8 %. Наибольшее влияние на электрические свойства железа оказывает кремний (см. рис. 10.11). Благодаря повышенному удельному сопротивлению электротехнические стали имеют меньшие потери на вихревые токи по сравнению с чистым железом. Вследствие высокой магнитной проницаемости скин-эффект проявляется в железе и сталях даже в полях промышленной частоты.

Характерная особенность ферромагнитных металлов и сплавов – нелинейная зависимость удельного сопротивления от температуры: при приближении к температуре Кюри намагниченность ферромагнетика уменьшается (рис. 10.12). Магнитные моменты атомов разупорядочиваются, что вызывает дополнительное рассеяние электронов проводимости. По правилу Маттиссена разные механизмы рассеяния электронов дают аддитивный вклад в полное сопротивление:

ρ = ρ_т + ρ_ост + ρ_м,

где ρ_т и ρ_ост – удельные сопротивления, обусловленные рассеянием электронов на тепловых колебаниях решетки и примесях; ρ_м – магнитный вклад в сопротивление, обусловленный беспорядком в системе спинов. До температуры Кюри магнитная составляющая сопротивления р_м увеличивается, выше – остается постоянной: зависимость полного сопротивления от температуры носит линейный характер.

Железо используется для изготовления корпусов электровакуумных и полупроводниковых приборов, работающих до 500 °С. Газовыделение из железа мало и не нарушает эксплуатацию приборов. Как проводник, железо используется в виде шин, рельсов, сердечников проводов линий электропередач.

Никель, в отличие от железа, более устойчив к коррозии, не тускнеет на воздухе и медленно растворяется в кислотах. Никель извлекают из сернистых или кислородных соединений металлургическим путем и подвергают электролитическому рафинированию. Чистый порошкообразный никель получают путем термического разложения карбонила никеля при 220 °С. По плотности никель близок к меди, после отжига имеет высокую механическую прочность (s_в = 400–600 МПа) при большом относительном удлинении (d = 35–50 %). В холодном состоянии поддается всем видам механической обработки: ковке, прессованию, прокатке, штамповке, волочению. Из никеля изготавливают различные по размерам и сложные по конфигурации изделия с жестко выдержанными допусками. Основной объект применения – металлические сплавы, в которых никель является основой или важным легирующим элементом, придающим сплавам те или иные свойства. Остальная часть никеля применяется в чистом виде и для защитных покрытий. Никель широко применяется в электровакуумной технике как материал для арматуры электронных ламп, некоторых типов катодов, в качестве компонента магнитных и проводниковых сплавов. Вредной примесью для никеля является сера, которая резко снижает механическую прочность.

Кобальт обладает близкими к никелю механическими и электрическими свойствами. Его используют в качестве составной части многих магнитных и жаростойких сплавов, сплавов для электровакуумных приборов, сплавов с маленькими температурными коэффициентами линейного расширения. Кобальт и его сплавы применяются при производстве печатных схем в радиотехнической промышленности, изготовлении квантовых генераторов и усилителей.

Материалы для припоев

В радиоэлектронной аппаратуре широко используются неподвижные контакты, основными из которых являются пайка, сварка и соединение контактолами. Пайку применяют для получения постоянного электрического контакта с малым переходным сопротивлением и хорошей механической прочностью, а также вакуумноплотных швов.

Пайка металлов – неразъемное соединение заготовок с помощью специальных металлов и сплавов – припоев. При пайке до плавления доводят только припой. Температура нагрева заготовок должна быть на 50–80 °С выше температуры плавления припоя. Соединение заготовок происходит вследствие взаимной диффузии атомов припоя и металла заготовок. При последующем охлаждении и кристаллизации расплава образуется прочное соединение заготовок. Качество паяных соединений (прочность, герметичность, надежность и др.) зависят от выбора основного металла, припоя, флюса, способа нагрева, типа соединения. Для обеспечения процесса диффузии необходима тщательная очистка соединяемых поверхностей. Припой должен хорошо растворять основной металл и обладать смачивающей способностью. Припои представляют собой сплавы цветных металлов сложного состава. Их делят на мягкиес температурой плавления до 300 °С и твердые – выше. Припои различаются по механической прочности: мягкие припои имеют предел прочности при растяжении 16–100 МПа, твердые – 100–500 МПа.

Обозначение припоя начинается с буквы П – припой, буквы и числа – компоненты и их содержание в процентах: А – алюминий; Ж – железо; И – индий; К (Кд) – кадмий; М – медь; О – олово; С – свинец; Ср – серебро; Су – сурьма; Ф – фосфор; Ц – цинк. Буквы в конце – компонент составляет оставшееся содержание припоя. Например: ПСр3Кд – припой серебряно-кадмиевый, серебра – 3 %, остальное – кадмий.

К мягким припоям относят сплавы легкоплавких металлов: висмута, индия, олова, цинка, свинца. Часто используют сплавы олова: оловянно-свинцовый ПОС-61 (61 % Sn и 39 % Pb), который называется третником (примерно 1/3 свинца), оловянно-цинковый и др.

К твердым припоям (температура плавления 600–1300 °С) относят чистую медь и ее сплавы с цинком, никелем и благородными металлами (серебром, золотом, платиной). Наиболее часто применяют медно-цинковые припои, при пайке деталей ответственного назначения – медно-серебряные. Припои изготавливают в виде прутков, листов, проволок, полос, спиралей, дисков, колец, зерен и др. для удобства их укладки в места пайки. Пайке поддаются углеродистые и легированные стали, твердые сплавы, серые и ковкие чугуны, цветные металлы, металлы с неметаллическими материалами.

Пайка меди производится всеми способами: паяльником, газовыми горелками, погружением в расплавленный припой, в камерных печах. Массивные детали, вследствие большой теплопроводности меди, паяют газовыми горелками. Пайка в печах обеспечивает равномерный нагрев изделий без деформации. Пайка в вакууме производится в вакуумных печах или контейнерах, загружаемых в обычные печи. Паяные швы отличаются чистотой исполнения, прочностью металла шва и высокой коррозионной стойкостью. Недостаток – сложность оборудования.

При пайке меди легкоплавкими оловянно-свинцовыми ПОС40, ПОС61 и свинцово-серебряными ПСр1,5, ПСр3 припоями используются канифольно-спиртовые флюсы, водные растворы на основе хлористого цинка или хлористого аммония. Флюсы очищают поверхность меди от окисной пленки и способствуют растеканию припоя. Недостаток – трудность получения герметичных соединений, так как остатки флюса являются очагами коррозии. Хрупкость соединений, паянных оловянно-свинцовыми припоями, при низких температурах объясняется аллотропическим превращением олова и образованием в шве хрупких интерметаллидов, которые являются очагами развития трещин.

При пайке меди тугоплавкими припоями ПСр45, ПСр25, ПСр12 применяются флюсы на основе соединений бора и фтористых соединений калия. Пайку осуществляют при нагреве меди пламенем горелки или в печи. Остатки флюса удаляют промывкой в горячей воде.

Если конструкция позволяет производить пайку медных деталей под давлением, то в качестве припоя используют серебряное покрытие (10–25 мкм) или тонкую серебряную фольгу. При нагреве выше 780 °С медь взаимодействует с серебром с образованием припоя типа ПСр. Пайка этим контактно-реактивным методом осуществляется без применения флюса – в вакууме или инертной среде.

Диффузионная пайка меди выполняется галлием, индием, оловом, свинцом, припоем ПОС61 при сжатии и длительной выдержке деталей в вакууме или аргоне при температурах 650–800 °С. Припой наносится напылением в вакууме, гальваническим способом или в виде тонкой фольги. Однако паяные соединения более хрупкие и непрочные. Капиллярная пайка меди легкоплавкими припоями производится при зазорах 0,05–0,5 мм и температурах 650–900 °С в вакууме или аргоне.

Пайка латуней имеет следующие особенности: присутствие на поверхности оксидной пленки и испарение цинка при нагреве.

На поверхности латуней, содержащих до 15 % Zn, слой оксидов состоит из Cu₂O с внедренными частицами ZnO. В сплавах с большим содержанием цинка слой оксидов состоит из ZnO, который трудно удалить. Применяют более активные флюсы на основе хлористого цинка.

Снижение предела прочности соединений латуни связывают с пористостью в швах, которую объясняют испарением цинка и попаданием его паров в жидкий припой. Порообразование наблюдается после пайки как легкоплавкими, так и тугоплавкими припоями. Высокотемпературная пайка латуни применяется редко. Пайка латуней в газовых средах возможна только с предварительным флюсованием мест пайки. Без флюса латунь паяют только в том случае, когда она предварительно покрыта слоем меди или никеля, предохраняющим от испарения цинка.

Детали из латуни можно паять в соляных ваннах при 850–870 °С. Для улучшения затекания припоя в зазор добавляют 4–5 % флюса, содержащего фтороборат калия или буру. Латуни интенсивно растворяются при пайке серебряными и медно-фосфористыми припоями. Паять их следует с высокими скоростями нагрева для сокращения контакта жидкого припоя и твердого металла.

Пайка бронз. Оловянистые бронзы можно паять: паяльником, газопламенными горелками, контактным нагревом, нагревом ТВЧ, в соляных ваннах, в печах с контролируемой атмосферой. Нагрев ведут постепенно, при высоких скоростях нагрева основной металл склонен к красноломкости. Применяют оловянно-свинцовые припои и флюсы на основе хлористого цинка с добавкой соляной кислоты. При высокотемпературной пайке используют медно-цинковые и серебряные припои с применением флюсов на основе борной кислоты с добавками хлористых и фтористых солей металлов. Свинцовые бронзы паяют припоями с флюсами, которые применяют для пайки оловянистых бронз. Места пайки необходимо тщательно флюсовать, поскольку образующиеся на поверхности оксиды свинца препятствуют затеканию припоя в зазор. На поверхности алюминиевой бронзы образуется оксидная пленка, трудно удаляемая обычными флюсами. Изделие перед пайкой обрабатывают во фтористо-водородной или плавиковой кислоте. Бериллиевые бронзы следует паять немедленно после механической зачистки серебряными припоями с флюсом, в состав которого входят фтористые соли. Марганцовистые бронзы паяют с использованием ортофосфорной кислоты.

Пайка титана. На поверхности титана имеется альфированный слой, насыщенный азотом и кислородом. Его удаляют пескоструйной обработкой или травлением. После обработки на поверхности титана остается тонкая оксидная пленка, препятствующая смачиванию поверхности припоем. Пайку титана и его сплавов ведут в вакууме или аргоне, который очищен от примесей кислорода, азота и паров воды, при температуре 800–900 °С, что способствует очистке поверхности и хорошему смачиванию припоями. Пайку при высоких температурах производят редко, так как при длительном нагреве выше 900 °С отмечается склонность к росту зерна.

Водород, имеющийся в титане и снижающий пластичность, удаляют при пайке (или нагреве) в высоком вакууме 10^-2 Па при 900 °С. Пайка титана в вакууме предпочтительнее, чем в нейтральной атмосфере.

При выборе припоя, способа и режимов пайки необходимо иметь в виду, что титан образует хрупкие интерметаллиды в паяном шве почти со всеми элементами, входящими в припои. В качестве основы припоев выбирают серебро или алюминий. Серебро образует с титаном менее хрупкие интерметаллиды, алюминий – ограниченную область твердых растворов. В последнем случае в шве образуются интерметаллидная прослойка, соединения приобретают очень низкую прочность. Толщина прослойки уменьшается, если применяется легированный алюминий. Титан и его сплавы низкотемпературными припоями паяют после покрытия никелем, оловом, серебром или медью. Никелем титан покрывают химическим или гальваническим способом. Для увеличения сцепления детали прогревают 1 час при 250 °С. Для покрытия оловом изделие опускают на 10–20 мин в нагретое до 700 °С олово. Либо покрывают слоем флюса толщиной до 3 мм, в состав которого входит хлористое олово. Далее нагревают до 350–400 °С в печи с нейтральной средой.

Луженые изделия паяют легкоплавкими припоями (Т_пл ≤ 200 °С), применяя канифольные флюсы. Медное покрытие получают погружением изделия в расплавленную хлористую медь или ее смесь с другими хлоридами меди при 650–700 °С.

Серебром титан покрывают методом погружения изделия в расплавленное серебро. После охлаждения деталь очищают от остатков флюса и шлака паром или кипячением в воде с последующей зачисткой наждачной бумагой или щеткой.

Контактолы (электропроводящие клеи) – пастообразные композиции из различных смол (эпоксидных, фенолформальдегидных, кремнийорганических и др.) и токопроводящего наполнителя – мелкодисперсного порошка металлов (серебра, никеля, палладия) или графита. Концентрация, форма и размер частиц определяют электрические свойства. Связующие определяют эластичность и адгезионные свойства. Для регулирования вязкости используют растворители. Известно более 50 контактолов. Наибольшей проводимостью и стабильностью свойств обладают контактолы, содержащие серебро. Например, К-17: наполнитель – серебро, r = 1–2 мкОм×м, температура отвердения 170–200 °С, максимальная рабочая температура 200 °С, срок службы 6 месяцев.

Контактолы используют для получения контактов (склеивания) металлов, металлов и полупроводников, стекла, керамики. Если серебро обработано растворами жирных кислот, то клей используется для монтажа элементов радиоэлектроники: ниточных резисторов, фоторезисторов. Клеи, имеющие высокую термостойкость, используются в производстве керамических конденсаторов и монтаже интегральных схем.

⇐ Предыдущая21222324252627282930Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: