Адгезия расплавов и пайка материалов. Сборник научных трудов. Вып. 41

Подождите немного. Документ загружается.

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

им. И. Н. ФРАНЦЕВИЧА

ISSN 0136—1732

АДГЕЗИЯ

РАСПЛАВОВ

И ПАЙКА

МАТЕРИАЛОВ

СБОРНИК

НАУЧНЫХ ТРУДОВ

ОСНОВАН В 1976 г.

ВЫПУСК 41

Киев

2008

Адгезия расплавов и пайка материалов. Вып. 41: Сб. науч. тр. / НАН Украины.

Ин-т пробл. материаловедения им. И. Н. Францевича, Науч. совет по пробл.

“Поверхностные явления в расплавах и контактирующих с ними твердых фазах“;

Редкол.: Найдич Ю. В. (гл. ред.) и др. — Киев, 2008. — 104 с.

В сборнике освещаются вопросы поверхностных явлений в расплавах, адгезии,

смачиваемости. Исследуются капиллярные свойства металлических и неметал-

лических расплавов, процессы растекания жидких фаз по твердым. Приводятся

результаты исследований контактного взаимодействия тугоплавких соединений

и сверхтвердых материалов с расплавами, а также технологических разработок в

области пайки и нанесения адгезирующих покрытий, адгезионных явлений

в процессах получения материалов.

Для специалистов, занимающихся вопросами межфазных явлений при

высоких температурах и практическим применением их в области пайки

материалов.

These collected articles are devoted to problems concerned with surface phenomena

in melts, adhesion, wetting, capillary properties of metal and nonmetal melts, processes

of liquid phases’ spreading over solid ones. Results of the studies of contact interaction

of refractory compounds and superhard materials with melts are presented. Process

designs of brazing and apllication of adhesive coatings as well as adhesion phenomena

in processes of materials’ production are described.

For specialists engaged in problems of interphase phenomena at high temperatures

and in their practical use for brazing of materials.

Учредитель и издатель Институт проблем материаловедения

им. И. Н. Францевича НАН Украины

Свидетельство о государственной регистрации печатного средства

массовой информации: КВ № 8194 от 09.12.03

Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я

Главный редактор Ю. В. Найдич

Н. Ф. Григоренко, И. И. Габ, Б. Д. Костюк, Н. А. Красовская (ответствен-

ный секретарь), В. Ф. Хорунов, В. Ф. Квасницкий, А. В. Шевченко,

В. И. Ниженко, В. К. Яцимирский, В. А. Лавренко, Д. В. Хантадзе

А д р е с р е д а к ц и и

03680 Киев−142, ул. Кржижановского, 3, Институт проблем материало-

ведения им. И. Н. Францевича НАН Украины

Тел: 424-62-01, факс: 424-30-17, E-mail: naidich@ipms.kiev.ua

Утверждено к печати ученым советом Института проблем материаловедения

им. И. Н. Францевича НАН Украины

Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, 2008

Раздел I

ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ

И ТВЕРДЫХ ТЕЛ, СМАЧИВАНИЕ, АДГЕЗИЯ

УДК 548.52

М. Ф. Григоренко, В. В. Полуянська, Є. П. Черніговцев

ПРОЦЕСИ ШВИДКІСНОГО ЗМОЧУВАННЯ ТА РОЗТІКАННЯ

У СИСТЕМІ АДГЕЗІЙНО-АКТИВНИЙ МЕТАЛІЧНИЙ

РОЗПЛАВ НІТРИД КРЕМНІЮ

Наведено результати експериментального дослідження методом високошвидкісної

профільної кінозйомки (до 5000 кадр/с) у вакуумі при 1000

С кінетики змочування та

розтікання розплаву Cu—Sn—Ti по поверхнях керамічних матеріалів із нітриду

кремнію Si

Вступ

Серед досліджень кінетики змочування та розтікання високо-

температурних розплавів по твердих поверхнях більша увага в останні

роки приділялась відносно повільним процесам (з часом розтікання від

хвилин до годин), наприклад, для припоїв на основі Al та Ni по оксиду

алюмінію та сталях [1], керамічних систем (Cu—Si)—SiC [2], (Ag—Cu—

Ti)—SiC [3], Al—Si

[4]. Процеси швидкого та надшвидкого розтікання

розплавів (з часом розтікання до 1⋅10

-3

с) вивчені у значно меншому обсязі

та в більшості своїй для систем метал—метал, наприклад [5—7] (щодо

загальної класифікації розтікання на “повільне” та “швидке” див. [8]).

Раніше нами вивчалась кінетика швидкісного змочування та розтікання

Ni, Ni—Pd, Ni—Pd—Ti розплавів по поверхнях підкладок із таких

керамічних матеріалів, як карбід кремнію та скловуглець [9], та розплавів

Cu—Sn—Ti по поверхні α-Al

(сапфіру) [10]. Являє інтерес розповсю-

дити подібні дослідження, які дають важливу інформацію щодо

механізмів хімічного реакційного змочування, на процеси у високотемпе-

ратурних системах адгезійно-активний металічний розплав—кераміка на

основі нітриду бору, нітриду кремнію, нітриду алюмінію. Зазначені

матеріали широко використовуються у сучасному матеріалознавстві,

М. Ф. Григоренко — кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник, Інститут

проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, м. Київ; В. В. Полуянсь-

ка — науковий співробітник цієї ж установи; Є. П. Черніговцев — молодший науковий

співробітник цієї ж установи.

 М. Ф. Григоренко, В. В. Полуянська, Є. П. Черніговцев, 2008

відповідно, для виготовлення інструментів, мають застосування при

виготовленні робочих деталей та вузлів в енергетиці, машинобудуванні та

інших галузях техніки. У роботі [11] досліджувались процеси швидкісно-

го змочування та розтікання для нітриду бору. Мета даної роботи 

вивчити зазначені процеси для нітриду кремнію (Si

). Додамо, що

раніше цей матеріал у такому аспекті не вивчався.

Методичні особливості проведення досліджень

Досліджували хімічно та адгезійно-активний сплав 46Cu4Sn

50Ti (% (ат.)), що може використовуватись як припій. З фізико-хімічної

точки зору та для кращого розуміння процесів змочування кінетичний

режим розтікання ввижається більш інтересним та важливим, ніж

гідродинамічні аспекти течії рідини та транспортного опору. Тому

основна увага у даній роботі була приділена хімічним кінетичним

процесам змочування та розтікання.

Експерименти по вивченню змочування та розтікання проводили у

вакуумі (2—4)⋅10

-3

Па при 1000 °С з використанням устаткування, що було

розроблене раніше [12, 13]. Краплі досліджуваних сплавів плавили та

формували in situ на інертних підкладках (що не змочуються та не

взаємодіють з даним сплавом) із фториду кальцію. Зразки виготовляли із

металів високої чистоти, переплавлених у вакуумі. Об’єми крапель

дорівнювали у середньому 0,01 см

. Досліджувані підкладки — пластинки

нітриду кремнію (α-Si

) — шліфували та полірували алмазними кругами

та порошками. Середня шорсткість поверхонь підкладок після поліруван-

ня складала 0,03—0,04 мкм. Експерименти здійснювали з використанням

методу профільної високошвидкісної кінозйомки (до 5000 кадр/с) (більш

детально методика експериментів та кінозйомки описана у попередніх

роботах, наприклад [9—11].

Результати досліджень та їх обговорення

Зміни у часі динамічних контактних кутів для системи (Cu—Sn—Ti)—

нітрид кремнію наведено на рис. 1, а. Як видно, досліджувана система

характеризується високою реакційністю зі швидким зниженням контакт-

ного кута на першій стадії після здійснення контакту і значно меншими

швидкостями змочування на наступних стадіях процесу. Так, у даній

системі (46Cu4Sn50Ti)—Si

(при T = 1000 °С) величина θ

знижується до ~110 град приблизно за 0,2 с і наступне розтікання розплаву

до кінцевого значення близько 6 град (виміряне по холодному зразку)

відбувається за ~7 с (отримано екстраполяцією кривої 2 на рис. 1, а

на кінцевий кут змочування). Додамо, що збіг кривих 1, 2 для двох

незалежних дослідів ілюструє добре відтворення результатів. Як показав

проведений аналіз, контактні кути виявляють експоненціальний спад з

часом (рис. 1, а, крива 2 та відповідне рівняння). Швидкості змочування на

швидкій стадії складають приблизно 1,0⋅10

град/с.

Часові залежності радіуса плями змочування для розплаву

46Cu4Sn50Ti (% (ат.)) на підкладках нітриду кремнію у процесі

розтікання розплаву наведені на рис. 1, б (криві 1, 2). Визначені із цих

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

100

150

200

Θ, град

Час

⋅

, с

Equation: y = A1*exp(-x/t1) + A2*exp(-x/t2) + A3*exp(-x/t3) + y0

= 0,99737

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

r, мм

Час

⋅

, с

Рис. 1. Часові залежності величини контактного кута (а) та

радіуса плями (б) змочування для двох незалежних дослідів

для розплаву 46Cu4Sn50Ti (% (ат.)) на підкладках із

нітриду кремнію у процесі розтікання розплаву: T = 1000 °C;

1  m = 0,065 г, v = 1300 кадр/с; 2  m = 0,039 г, v =

= 1000 кадр/с

Fig. 1. A plot of of wetting contact angle (а) and radius of wetting

spot vers. time (б) for active melt 46Cu4Sn50Ti (% (аt.)) on

silicon nitride supports for two independent experiments: T =

= 1000 °C; 1  m = 0,065 g, v = 1300 frames/s; 2  m = 0,039 g,

v = 1000 frames/s

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

100

150

200

, град

Час

⋅

, с

Рис. 2. Часові залежності контактного кута (а) та радіуса

плями (б) змочування для розплаву 46Cu 4Sn50Ti (% (ат.))

на підкладках із нітриду бору (1  m = 0,062 г,

v = 1500 кадр/с) та нітриду кремнію (2  m = 0,065 г, v =

= 1300 кадр/с) у процесі розтікання розплаву. T = 1000 °C

Fig. 2. A plot of wetting contact angle (а) and radius of wetting

spot (б) vers. time for active melt 46Cu4Sn50Ti (% (аt.)) on

boron nitride (1  m = 0,062 g, v = 1500 frames/s) and silicon

nitride (2  m = 0,065 g, v = 1300 frames/s supports) supports.

T = 1000 °C

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

r, мм

Час

⋅

, с

залежностей початкові швидкості розтікання складають приблизно

22 см/с. Порівняння з дослідженими раніше керамічними підкладками, де

були зафіксовані більші швидкості розтікання розплаву, утруднено через

нижчу температуру у даному досліді. Зазначимо, що спостережувана

розбіжність кривих 1 та 2 (рис. 1, б) для двох різних дослідів пояснюється,

мабуть, відмінністю мас крапель (приблизно у два рази).

На рис. 2, а, б з метою порівняння наведено часові залежності кутів

змочування та радіусів плям змочування для раніше досліджених нітридів

бору та кремнію. Як видно, із двох досліджених нітридів Si

виявляє

більш повільну, “загальмовану” кінетику змочування, хоча змочується, в

цілому, краще, ніж BN [11] (рис. 2, а). У той самий час розтікання

крапель сплавів CuSnTi приблизно однакових мас для обох підкладок

відбувається схожим чином (рис. 2, б).

Висновки

Методом високошвидкісної профільної кінозйомки проведено експери-

ментальне дослідження кінетики швидкого нерівноважного змочування та

розтікання адгезійно-активного розплаву 46Cu4Sn50Ti (% (ат.))

по поверхнях керамічного матеріалу із нітриду кремнію. Встановлено, що

контактні кути виявляють експоненційний спад із часом; швидкості

змочування складають приблизно 1,0⋅10

град/с. Характерним є швидке

зниження контактного кута на першій стадії після здійснення контакту і

значно менші швидкості змочування на наступних стадіях процесу, що в

якісному відношенні подібне отриманим раніше даним для інших

керамічних матеріалів. Із їх аналізу та порівняння з попередніми

результатами вірогідним механізмом, котрий лімітує переміщення рідини

на стадії швидкого розтікання, є хімічна взаємодія рідина—тверде тіло

(тобто утворення хімічних зв’язків з близьким до характеристичного

часом ~10

-13

с).

1. Naka M., Kubo M., Okamoto I. Wettability of silicon nitride by

aluminium, copper and silver // J. Mater. Sci. Lett. — 1987. — 6,

No. 8. — P. 965—966.

2. Nicolas M. G., Peteves S. D. The kinetics of liquid braze spreading //

High Temperature Capillarity / Ed. by N. Eustathopoulos: Proc. of an

Internat. conf. Bratislava, Slovakia, 1994. — Р. 18—27.

3. Rado C., Rocabois P., Kalogeropoulou S., Eustathopoulos N. Kinetics of

wetting of Cu—Si alloys on monocrystalline α-SiC // Ibid. — Р. 143—

147.

4. Chung Y-S., Iseki T. // Ceram J. Soc. Jap. Internat. Ed. — 1990. — 98. —

P. 583.

5. Попель С. И. Кинетика растекания расплавов по твердым поверхнос-

тям и кинетика смачивания // Aдгезия расплавов и пайка материа-

лов. — 1976. — № 1. — С. 3—28.

6. Найдич Ю. В., Забуга В. Р., Перевертайло В. M. Температурная

зависимость кинетики растекания в системах с различным типом

взаимодействия контактирующих фаз // Там же. — 1992. —

№ 27. — С. 23—34.

7. Eременко В. Н., Koстрова Л. И., Лeсник Н. Д. Влияние взаимной

растворимости контактирующих фаз на кинетику растекания в

системе железо—медь // Адгезия расплавов и пайка материалов. —

1992. — № 28. — С. 12—17.

8. Найдич Ю. В. О межфазных поверхностных энергиях и краевых

углах смачивания твердых тел жидкостью в равновесных и

неравновесных системах // Журн. физ. химии. — 1968. — 8. —

С. 1946—1951.

9. Найдіч Ю. В., Григоренко М. Ф., Полуянська В. В. Кінетика змочу-

вання та розтікання Ni та NiPd розплавів по поверхнях карбіду крем-

нію та скловуглецю // Адгезия расплавов и пайка материалов. —

1999. — № 34. — С. 18—26.

10. Григоренко М. Ф., Полуянська В. В., Черніговцев Є. П., Найдіч Ю. В.

Вивчення кінетики надшвидких процесів змочування та розтікання у

системах активний металічний розплав — керамічна поверхня // Тез.

докл. Международ. конф. “Современное материаловедение:

достижения и проблемы”, Киев, Украина, 2005. — С. 623—624.

11. Григоренко М. Ф., Полуянська В. В., Черніговцев Є. П. Дослідження

кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів

Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору //

Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2007. — № 40. —

С. 20—25.

12. Найдич Ю. В., Перевертайло В. M., Неводник Г. М. Изучение

кинетики растекания металлов по твердым поверхностям //

Порошковая металлургия. — 1972. — № 7. — С. 51—55.

13. Найдич Ю. В., Перевертайло В. M., Неводник Г. M. Автоматизиро-

ванная установка для изучения сверхбыстрых процессов растекания

металлических расплавов // Завод. лаб. — 1976. — № 1. — С. 39—40.

Надійшла 01.11.08

Grigorenko M., Poluyanskaya V., Chernigovtsev E.

High-speed wetting and spreading processes in adhesive-active metal

melt—silicon nitride systems

The wetting and spreading kinetics of Cu—Sn—Ti melt over silicon nitride

surfaces was studied by means of a high-speed profile filming (up to

5000 frames/s) in a vacuum at 1000 °C.

УДК 538.975:539.216.2

В. Н. Сухов, И. Г. Чурилов

ВНУТРЕННИЙ РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ ПЛАВЛЕНИЯ

В СЛОИСТЫХ ПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМАХ

ЭВТЕКТИЧЕСКОГО ТИПА

Изложены результаты исследования температуры плавления в двух- и многослойных

пленочных системах эвтектического типа большой толщины (∼400 нм) на примере системы

BiSn. Эксперименты, проведенные с многослойными (каждый слой по 1020 нм) и

двухслойными системами (слои ∼200 нм) одинаковой общей толщины, показали

понижение температуры плавления в многослойных системах по сравнению с

двухслойными. На основе термодинамического анализа установлено, что обнаруженное в

слоистых пленочных системах понижение температуры эвтектического плавления

определяется общей толщиной двух контактирующих пленок и энергией их границ.

Введение

Исследованы двухкомпонентные фазовые диаграммы эвтектического типа

с использованием конденсированных пленок переменных составов и

состояний, получаемых конденсацией испаряемых из различных источни-

ков компонентов с последующим созданием вдоль подложки градиента

температур в необходимом интервале. Обнаружено [1], что граница,

соответствующая эвтектической температуре на подложке с градиентом

температур, обычно имеет некоторую ширину, колеблющуюся в различ-

ных экспериментах при изменении параметров препарирования и толщи-

ны в пределах нескольких десятых долей Кельвина. Однако причины

такого поведения указанной границы детально не исследовались. В то же

время еще в работе [2] при термодинамическом рассмотрении и

возможного изменения условий фазового равновесия в пленках

указывалось на необходимость учета в случае поликристаллических

высокодисперсных пленок межфазной межзеренной энергии наряду с

поверхностной энергией свободных поверхностей пленки.

Из сопоставления данных работ [1



3] следует, что наблюдаемое

размытие границы плавления, соответствующей эвтектической температу-

ре, со стороны более низких температур обусловлено именно вкладом

межфазной межзеренной энергии в плавление поликристаллических

пленок эвтектического типа. Для того чтобы убедиться в этом, целесо-

образно исследовать границу плавления, отвечающую эвтектической

температуре, для слоистых пленочных систем, компоненты которых

образуют диаграмму эвтектического типа.

Методика исследований

В качестве объекта исследования выбрана эвтектическая система Bi



Sn [4], при изучении которой с использованием конденсированных пленок

В. Н. Сухов  доцент, кандидат физ.-мат. наук, Харьковский национальный университет

им. В. Н. Каразина; И. Г. Чурилов  ассистент, там же.

 В. Н. Сухов, И. Г. Чурилов, 2008

переменных составов и состояний [1, 5] наблюдалось размытие границы

плавления со стороны более низких температур.

Учитывая незначительный по абсолютному значению температурный

интервал размытия границы плавления при эвтектической температуре,

для повышения надежности наблюдений использовали дифференциаль-

ный метод [5]. При этом сравнивали границы плавления находящихся на

одной и той же подложке в одинаковых температурных условиях двух-

слойных пленок достаточно большой толщины (толщина каждой из двух

контактирующих пленок составляла ∼200 нм) и находящейся рядом

многослойной системы из тонких пленок (по ∼10



20 нм) тех же компо-

нентов при одинаковой общей толщине.

В соответствии с задачей исследований эксперименты проводили в

вакууме 5⋅10

-6



1⋅10

-5

Па, создаваемом при помощи безмасляной системы

откачки, следующим образом. На прямоугольную подложку размером

15×6 см и толщиной 3 мм из нержавеющей стали предварительно конден-

сировалась при испарении из дуги углеродная пленка толщиной примерно

20 нм для предотвращения взаимодействия подложки с исследуемыми

пленочными системами. Металлы Bi и Sn чистотой 99,99% испарялись из

раздельных источников, которыми служили молибденовые лодочки.

Между испарителями и подложкой находилась система подвижных

экранов. Расположение экранов, подложки и испарителей позволяло в

одном эксперименте в совершенно идентичных условиях на одну

половину подложки по ее длине конденсировать двухслойную толстую

пленку BiSn, а на другую



многослойную систему такой же общей

толщины и состоящую из 10 слоев Bi и 10 слоев Sn, толщина каждого из

которых в выполненных экспериментах составляла 1223 нм. Темпера-

туру подложки контролировали при помощи приваренных к ней хромель-

алюмелевых термопар. После прекращения конденсации один конец

подложки нагревали выше эвтектической температуры, а температура

второго оставалась комнатной. После установления стационарного рас-

пределения температуры вдоль подложки последнюю вместе с находящи-

мися на ней слоистыми пленочными системами выдерживали до 20 мин,

затем охлаждали до комнатной температуры. Микроскопические исследо-

вания пленок сплава проводили в растровом микроскопе Jeol-JSM-840.

Экспериментальные результаты и их обсуждение

После описанных процедур визуально на подложке по всей ее ширине, то

есть как на половине с двухслойными толстыми пленками, так и на

половине с многослойной системой, отчетливо наблюдается граница,

соответствующая известной температуре плавления эвтектики в системе

BiSn. В то же время на половине подложки с многослойной пленочной

системой со стороны более низких температур фиксируется вторая грани-

ца, параллельная первой. При этом она выражена менее четко, чем первая.

Вакуумная установка, в которой проводили эксперименты, снабжена

смотровыми окнами. Это позволяло визуально наблюдать за движением

границы плавления, соответствующей эвтектической температуре, в

процессе нагрева подложки до установления стационарного

распределения температуры вдоль нее, а также вести кинематическую