Тройные сплавы системы Bi-Sn-Pb находят применение в различных отраслях промышленности. Например, в машиностроении, электротехнике и электронике они используются в качестве припоев, предохранителей электрических цепей, уплотнительных прокладок в вакуумных установках и др. [7, 3]. В последние десятилетия в различных странах получили развитие различные методы высокоскоростного затвердевания [2, 10], при котором скорость охлаждения жидкой фазы превышает 105 К/с. Высокоскоростное затвердевании позволяет получать сплавы в виде лент и фольг толщиной в несколько десятков микрон, что расширяет ассортимент припоев, возможности их применения, а также позволяет автоматизировать процесс пайки [6]. Высокоскоростное затвердевание сплавов формирует микроструктуру, которая значительно отличается от микроструктуры тех же сплавов, но получаемых с помощью традиционных технологий [2,4,9-11]. В связи с этим актуальным является исследование микроструктуры и ее термической стабильности быстрозатвердевшего сплава Bi-29 мас.% Sn-41 мас.% Pb (в дальнейшем Bi30Sn29Pb41).
Сплав Bi30Sn29Pb41 изготовлен из компонентов, чистота которых не ниже 99,99%. Кусочек сплава массой ~0,2–0,3 г расплавляли, а затем выплескивали на внутреннюю полированную поверхность быстровращающеося медного цилиндра. Толщина исследуемых фольг сплава составляла 40–70 мкм. Скорость охлаждения жидкой фазы не менее 105 К/с. Микроструктура сплава изучена с помощью растрового электронного микроскопа LEO1455VP. Рентгеноспектральный микроанализ сплава осуществлен с использованием детектора фирмы «Rontec». Рентгеноструктурный анализ выполнен на дифрактометре ДРОН-3. Определение параметров микроструктуры проводилось методом случайных секущих. Погрешность их определения 8 %.
Сторона быстрозатвердевшенй фольги (A), находящаяся в контакте с кристаллизатором, имеет зеркальный вид. Противоположная сторона фольги (B) имеет неровности, наблюдаются выступы и впадины. Химические составы, определенные рентгеноспектральным микроанализом, в участках фольги, находящихся вблизи к поверхностям A и B, в пределах погрешности совпадают. На дифрактограмме быстрозатвердевшего сплава наблюдались дифракционные линии олова, висмута и ε-фазы (Pb2Bi).
Изображения микроструктуры быстрозатвердевшей фольги сплава Bi30Sn29Pb41, полученные через 1 и 11 суток, после ее изготовления, а также массивного сплава, выплавленного при скорости охлаждения 102 К/с, представлены на рис. 1. Наблюдаются темные, серые и светлые области. С помощью рентгеноспектрального микроанализа установлено, что темные области соответствуют олову, серые – ε -фазе, светлые – висмуту.
Зависимости объемной доли выделений олово VSn, средней хорды dSn на сечениях олова случайных секущих от расстояния до поверхности фольги А и удельной поверхности SSn олова с висмутом и ε-фазой приведены на рис. 2. В пределах погрешности измерения VSn, dSn и SSn постоянны. Таким образом, быстрозатвердевший сплав Bi30Sn29Pb41 характеризуется однородным распределением фаз в фольге.
Образующиеся выделения олова окружены ε-фазой. Распределение хорд dSni случайных секущих по размерным группам представлено на рис. 3. Основная доля хорд приходится на размерные группа 0,45…0,85 мкм и 0,85…1,25 мкм после старения сплава в течение 1 и 11 суток соответственно. Максимальное значение хорды не превышает 3 мкм.
Рисунок 3. Гистограмма распределения хорд случайных секущих на сечениях олова через 1 (1) и 11(2) суток.
Значения объемной доли олова VSn, хорд dSn случайных секущих и удельной поверхности межфазной границы SSn олова с ε-фазой и висмутом для фольг после старения в течение 1 и 11 суток приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Значения VSn, dSn и SSn для фольги сплава Bi30Sn29Pb41
| Время старения, сутки | Параметры микроструктуры | ||
| VSn | dSn | SSn | |
| 1 | 0,17 | 0,74 | 1,2 |
| 11 | 0,24 | 1,3 | 0,8 |
Образование наблюдаемой структуры в быстрозатвердевшем сплаве обусловлено тем, что сверхвысокие скорости охлаждения жидкой фазы приводят к его значительному переохлаждению. Переохлажденный расплав является пересыщенным жидким раствором [8]. Известно [1], что в расплавах в области температур, близких к эвтектической температуре, образуются кластеры со структурой, которая близка к структуре кристаллических фаз, существующих в данной системе. При температурах выше эвтектической температуры эти кластеры неустойчивы и исчезают из-за теплового движения атомов. Кластеры становятся устойчивыми при температурах ниже эвтектической температуры; они растут со временем, а затем кристаллизуются. Так как процесс образования кластеров происходит во всем объеме пересыщенного жидкого раствора случайно, то это и обусловливает однородность распределения кристаллических фаз в быстрозатвердевшем сплаве, а высокая степень переохлаждения жидкой фазы приводит к измельчению выделений олова. Однородность распределения фаз в сплаве Bi30Sn29Pb41 является полезной характеристикой особенно при его использовании в качестве припоя, уплотнительного материала в вакуумных установках и элементов электротехнических устройств.
Быстрозатвердевший сплав Bi30Sn29Pb41 находится в термодинамическом неустойчивом состоянии. Старение при комнатной температуре вызывает изменение микроструктуры. За время старения от 1 суток до 11 суток объемная доля объемная доля олова увеличилась от 0,17 до 0,24, а удельная поверхность межфазных границ олова с висмутом и ε-фазой уменьшилась от 1,2 мкм-1 до 0,8 мкм-1, средняя хорда при этом увеличилась почти в два раза (таблица 1). При этом наблюдается уменьшение доля мелких и увеличение крупных выделений олова. Аналогичные изменения микроструктуры наблюдались в быстрозатвердевших сплавах [5, 12].
Комнатная температура исследуемого сплава составляет ~0,77 Tm (Tm – температура начала плавления сплава в абсолютной шкале), что приводит к активной диффузии в быстрозатвердевшем сплаве и миграции межфазных и зеренных границ. В результате происходит увеличение размеров выделений олова и уменьшению удельной поверхности его межфазной границы. Увеличение объемной доли выделений олова можно объяснить переходом атомов олова из ε-фазы, которая захватила их при кристаллизации.
Таким образом быстрозатвердевшие фольги сплава Bi30Sn29Pb41 состоят из висмута, дисперсных выделений олова и ε-фазы, распределенных однородно. При комнатной температуре происходит изменение структуры.
Список литературы:
- Баум, Б.А. Металлические жидкости. – М.: Наука, 1979. – 120 с.
- Васильев В.А., Митин Б.С., Пашков И.Н, и др Высокоскоростное затвердевание расплава (теория, технология и материалы) / Под ред. Б.С. Митина. – М.: СП Интермет инжиниринг, 1998. – 400 с.
- Глазков, А.А., Саксагонский Г.Л. Вакуум электрофизических установок и комплексов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 184 с.
- Гусакова О.В., В.Г. Шепелевич Структура и свойства быстрозатвердевших фольг сплавов Sn-Bi // Известия РАН. Серия физическая. – 2008.– Т. 72. – № 11. – С. 1588–1590.
- Гусакова О.В., Шепелевич В.Г. Структура и свойства быстрозатвердевших фольг сплавов системы Sn – Zn – Bi // Перспективные материалы. – 2010. – № 2. – С. 74 – 80.
- Пашков И.Н., М.В. Пикунов М.В., А.И. Пашков А.И. Разработка процессов получения и применения сплавов припоев в дисперсионном состоянии с микрокристаллической или аморфной структурой // Металлург. – 2010. – № 6. – С. 43–45.
- Петрунин, Е.И. Справочник по пайке.– М.: Машиностроение, 2003.– 480 с. 1
- Таран Ю.М., В. И. Мазур Структура эвтектических сплавов. –М.: Металлургия, – 1978. – 312 с.
- Ташлыкова-Бушкевич И.И., Гутько Е.С., Шепелевич В.Г. Микроструктура, фазовый и элементный состав быстрозатвердевших сплавов Al – Zn // Перспективные материалы. – 2005. – № 1. – С. 59–65.
- Шепелевич В.Г. Быстрозатвердевшие легкоплавкие сплавы. – Минск: БГУ, 2015. – 192 с.
- Koukharenko E., Frety N., Shepelevich V.G., Tedenac J.C. Microstructural characterization of ultrarapid quenched bismuth and antimony tellurides alloys // Journal of Crystal Growth. – 2001. – V. 222. – №. 4. – P. 773–778.
- Shepelevich V.G., Shcherbachenko L.P. The microstructure and microhardness of rapidly solidified foils of eutectic alloy In – 47 at. % // British Journal of Science, Education and Culture. – 2015. – Vol. – 3. № 1(7). – P. 863 – 871.[schema type=»book» name=»МИКРОСТРУКТУРА БЫСТРОЗАТВЕРДЕВШЕГО СПЛАВА Bi30 Sn29 Pb41″ description=»Представлены результаты исследования структуры и ее стабильности быстрозатвердевшего сплава Bi30 Sn29 Pb41. В быстрозатвердевшем сплаве образуются текстурированные ε-фаза и дисперсные выделения Sn и Bi. Старение фольг при комнатной температуре вызывает огрубление структуры и увеличению микротвердости.» author=»Еворовская Владислава Валерьевна, Шепелевич Василий Григорьевич, Гусакова Ольга Вадимовна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-21″ edition=»euroasian-science.ru_25-26.03.2016_3(24)» ebook=»yes» ]