Вдосконалення технології дифузійного зварювання міді з молібденом
Оцінка ефективності застосування іонної обробки для активації поверхні молібдену. Дослідження характеру масопереносу при іонній обробці напилених шарів. Оцінка міцності та електроопору мідно-молібденових вузлів отриманих через модифікований шар.
Рубрика | Производство и технологии |
Вид | автореферат |
Язык | украинский |
Дата добавления | 12.07.2015 |
Размер файла | 490,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Національна академія НАУК УКРАЇНИ
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона
УДК 621.791.4
ВДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ДИФУЗІЙНОГО ЗВАРЮВАННЯ МІДІ З МОЛІБДЕНОМ
Спеціальність 05.03.06
Зварювання та споріднені процеси і технології
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Ганєєв Тімур Рашитович
Київ 2010
Дисертацією є рукопис
Роботу виконано на кафедрі зварювального виробництва Чернігівського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Харченко Геннадій Костянтинович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона, провідний науковий співробітник
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Кузнєцов Валерій Дмитрович, НТУУ «КПІ», завідувач кафедри
кандидат технічних наук, Єрмолаєв Геннадій Володимирович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, доцент кафедри
Захист відбудеться ”06” жовтня 2010 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.
Автореферат розісланий “01“ вересня 2010 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, доктор технічних наук Л.С. Киреєв
Размещено на http://www.allbest.ru/
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Зварні з'єднання міді з молібденом широко використовуються у приладобудуванні для виготовлення анодів рентгенівських ламп, катодів генераторних і модуляторних ламп радіолокаційних станцій і радіомовних передавачів.
Зварюваність цих металів, як плавленням, так і тиском, є незадовільною, що обумовлене суттєвою різницею фізико-хімічних і механічних властивостей: відмінністю типу і розмірів кристалічної решітки, температур плавлення, коефіцієнта термічного розширення і твердості, низькою взаємною розчинністю і відсутністю твердих розчинів. Тому існуючі на теперішній час технології дозволяють отримувати нероз'ємні з'єднання зварюванням тиском, тільки із введенням в зону з'єднання третього елементу, що володіє взаємною розчинністю із металами, що зварюються. Так при дифузійному зварюванні міді з тугоплавкими металами застосовують нікель у вигляді фольги або у вигляді тонкого шару нанесеного будь-яким способом на поверхні, що з'єднують. Однак міцність таких зварних з'єднань нижче міцності міді (95 МПа). Крім того недоліком застосування проміжного прошарку із третього металу для створення загальної дифузійної зони є зниження тепло- і електропровідності вузла. Технологія дифузійного зварювання міді з молібденом, яка б дозволяла отримувати якісні зварні з'єднання без застосування проміжного прошарку з третього металу на сьогоднішній день відсутня.
Відомо цілий ряд способів насичення приповерхневих шарів одного металу атомами іншого, взаємно нерозчинного металу для отримання шарів з спеціальними властивостями - модифікованих шарів. Проте на сьогоднішній день в літературі практично відсутня інформація щодо застосування модифікованих шарів в якості проміжних при зварюванні. Таким чином, розробка технології дифузійного зварювання міді з молібденом контактуюча поверхня якого попередньо модифікована атомами міді, є актуальною.
Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася по держбюджетних науково-дослідних темах № 66/06 «Створення технології зварювання виробів електронної техніки з різнорідних матеріалів» (наказ Міністерства освіти і науки України від 16.11.2005 р. № 654) і № Ф25.4/155 «Дослідження і розробка засобів модифікації поверхні при зварюванні в твердій фазі» (наказ Міністерства освіти і науки України від 02.08.2007 р. № 720).
Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є удосконалення технології дифузійного зварювання у вакуумі (ДЗВ) міді з молібденом шляхом попередньої модифікації поверхні молібдену.
Для досягнення цієї мети вирішувалися наступні завдання:
1. Оцінити ефективність застосування іонної обробки для активації поверхні молібдену.
2. Дослідити характер масопереносу при іонній обробці напилених шарів.
3. Оцінити напружено-деформований стан біметалевого з'єднання.
4. Оцінити міцність та електроопір мідно-молібденових вузлів отриманих через модифікований шар.
5. Розробити технологічні рекомендації стосовно зварювання Cu-Мо вузлів. іонний обробка молібден електроопір
Об'єкт дослідження - мідно-молібденове зварне з'єднання.
Предмет дослідження - властивості модифікованого шару на поверхні молібдену і його вплив на зварюваність молібдену з міддю.
Методи досліджень. Ефективність очищення поверхні молібдену визначали методом поляризаційного опору і крайового кута змочування. Дослідження методом поляризаційного опору проводилися за двоелектродною схемою на спеціалізованому індикаторі поляризаційного опору Р5126, в якості електроліту використовували соляну кислоту з нормальністю 0,1Н. Дослідження методом крайового кута змочування проводили по стандартній методиці за допомогою горизонтального мікроскопу МПБ-2. В якості робочої рідини застосовували дистильовану воду.
Визначення товщини напиленого шару міді проводили за допомогою мікроінтерферометру МИИ-4.
Для визначення механічних властивостей шару міді, напиленого на молібден, і приповерхневих шарів молібдену після іонної обробки використовували прилад для виміру мікротвердості матеріалів з безперервним записом і комп'ютерною обробкою. Прилад розроблено в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевіча НАН України.
Дослідження дифузійних процесів в зоні контакту проводили спільно з Інститутом металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України за допомогою радіоактивних ізотопів методом авторадіографії.
Для виявлення структури, використовували хімічний метод травлення. Дослідження стану поверхонь до і після шліфування, після іонного очищення, вакуумного термічного напилення, іонної обробки, а також структури зварних з'єднань проводили за допомогою скануючого електронного мікроскопа JSM-35CF фірми “JEOL” (Японія). Мікрорентгеноспектральний аналіз розподілу елементів проводили за допомогою спектрометра INCAPentaFET-x3 фірми Oxford Instruments Plc. (Великобританія) і установки Camebax SX50 (Франція).
Моделювання напружено-деформованого стану зварного з'єднання Cu-Мо, яке не піддавали іонній обробці, проводили за допомогою кінцево-елементного пакету ANSYS. Напружено-деформований стан зварного з'єднання, після іонної обробки, оцінювали спільно з Інститутом проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевіча НАН України методами рентгенівської дифрактометрії на дифрактометрі ДРОН-3М.
Наукова новизна. Встановлено ефективність використання іонного травлення для очищення поверхні молібдену від поверхневих плівок та від продуктів взаємодії металу з абразивами. Експериментально показано, що іонна обробка поверхні молібдену дозволяє знизити крайовий кут змочування на 67%, за рахунок зміни енергетичного стану поверхні при її очищенні.
Встановлено, що застосування іонної обробки шару міді нанесеного напиленням на поверхню молібдену створює модифікований міддю шар в приконтактному об'ємі молібдену, що дозволяє на порядок підвищити коефіцієнт масопереносу, в порівнянні із зварюванням без прошарків, за рахунок впровадження міді в молібден та утворення вакансій в приконтактному об'ємі молібдену.
Визначено характер розподілу залишкових зварювальних напружень у з'єднаннях, отриманих напряму та з використанням модифікованого шару. Встановлено, що використання модифікованого шару зменшує рівень еквівалентних напружень в зварному з'єднанні міді з молібденом на 30-35% за рахунок збільшення загальної ширини дифузійної зони.
Вперше удосконалено технологію дифузійного зварювання пари металургійно несумісних металів - мідь-молібден за рахунок використання модифікованого шару заздалегідь створеного на поверхні молібдену, що дозволило збільшити міцність зварного з'єднання на зріз до рівня міцності міді - 110 МПа, що на 12% більше міцності зварного з'єднання отриманого через прошарок нікелю, та на 70% більше міцності зварного з'єднання отриманого напряму, а також знизити електроопір з'єднання на 20 % у порівнянні з з'єднанням отриманим через прошарок нікелю.
Практичне значення. У даній роботі було визначено вплив напруги прискорення і тривалості іонної обробки на процес утворення модифікованого шару, що використовувався як проміжний прошарок при дифузійному зварюванні металів, які мають металургійну несумісність. Отримані результати можуть бути використані для поліпшення службових характеристик вузлів з різнорідних металів, отриманих зварюванням в твердій фазі. Розроблена технологія дифузійного зварювання у вакуумі молібдену з міддю, стосовно виготовлення біметалевих анодів. За розробленою технологією виготовлена партія біметалевих анодів, які успішно пройшли дослідно-промислові випробування.
Особистий внесок здобувача. При безпосередній участі автора були проведені дослідження процесу іонного очищення молібдену; дослідження по вивченню впливу іонної обробки на механічні властивості молібдену; механічні випробування і випробування на електропровідність. За його участю вивчений масоперенос в зоні контакту зварних з'єднань. Автором розроблено спеціалізоване оснащення для зварювання біметалевих вузлів. Аналіз і узагальнення результатів роботи проводилися як самостійно, так і за участю співавторів.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи докладалися і обговорювалися на III-ій і IV-ій Всеукраїнських науково-технічних конференціях молодих вчених і фахівців "Зварювання і спорідненні технології" (Київ, ІЕЗ ім. Е.О. Патона, 2005 р., 2007 р.), на Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих науковців (Миколаїв, НУК, 2008 р.) та на 8-ій всеросійській з міжнародною участю науково-технічній конференції (Москва, МАТИ, 2009 р.).
Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 4 статті в наукових журналах, що відповідають вимогам ВАК України, і тези 5 доповідей на науково-технічних конференціях.
Структура і об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних виводів, списку використаної літератури з 109 найменувань і одного застосування. Робота викладена на 125 сторінках машинописного тексту, включає 22 таблиці і 62 малюнка.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульована мета і завдання, які необхідно вирішити в процесі досліджень, приведені наукові і практичні результати роботи.
Стан питання зварювання в твердій фазі молібдену з міддю. У першому розділі на основі проведеного огляду літературних джерел зроблений висновок про те, що дугове зварювання в середовищі інертних газів, яке використовують для зварювання активних металів, не забезпечує необхідної якості з'єднань міді з молібденом. Для пари Cu-Мо, зважаючи на велику схильність до крихкого руйнування при окисленні, можливе застосування лише способів зварювання із загальним захистом з'єднання.
Використання для зварювання тугоплавких металів і сплавів на їх основі з міддю електронно-променевого зварювання у вакуумі та лазерне зварювання дають можливість отримати рівноміцні міді зварні з'єднання, але при цьому виникає значна структурна неоднорідність металу шва і його нерівномірна мікротвердість. Тому отримання якісного зварного з'єднання можливе лише методами зварювання тиском.
Серед способів зварювання тиском використовуються: дифузійне зварювання у вакуумі, магніто-імпульсне зварювання, зварювання шляхом запресовування тугоплавкого металу в мідну основу, або запресовуванням з оплавленням електричною дугою в середовищі аргону.
З підвищенням вимог до мініатюрності виробів і їх якості найбільш перспективним способом стає дифузійне зварювання у вакуумі.
У роботах Вензовського М. В. і Олійникова А. А. вказується, що задовільних результатів при ДЗВ безпосередньо Cu з Мо досягти також не вдається внаслідок вирішальної ролі схоплювання контактуючих поверхонь, а не дифузії. Для створення плавного переходу між металами по коефіцієнту термічного розширення і створення дифузійної зони використовують проміжний прошарок Ni, що володіє взаємною розчинністю з обома металами. За літературними даними найкращі результати досягаються при одношаровому гальванічному покритті молібдену шаром нікелю товщиною 5-7 мкм і зварюванню на режимі Тсв=1223 К, t=20 хв., Р=16 МПа, V=10-4 мм рт. ст. Досягнута таким чином міцність з'єднання складає 138 МПа, тобто 64 % від міцності міді при розтягуванні.
При проведенні аналізу способів інтенсифікації процесу дифузійного зварювання встановлено, що інтенсифікація дифузії може бути викликана попередньою модифікацією складу і властивостей поверхневого шару одного або обох матеріалів, що зварюються. Модифікація складу поверхневого шару виконується примусовим насиченням проміжним елементом.
Останнім часом розроблені нові способи модифікування поверхневих шарів. Методи іонної імплантації та іонного перемішування дозволяють вводити сторонні атоми безпосередньо в поверхневі шари твердих тіл з досить високою концентрацією і глибиною проникнення домішкових атомів.
В умовах зварювання найбільш доцільним є застосування такого способу поверхневого насичення, який може бути реалізований саме на зварювальній установці і забезпечить виконання в єдиному циклі послідовно технологічних операцій іонного очищення поверхонь, що сполучаються, модифікації поверхні і зварювання. Аналіз способів зміни складу і структури поверхневих шарів металів і сплавів, що розрізняються способом транспортування легуючої домішки до поверхні твердого тіла, її впровадження в поверхневі шари і енергією іонізованих часток, показав, що при ДЗВ найбільш раціональним є використання методу низькоенергетичної іонної обробки.
Проведений критичний аналіз літературних даних дозволив визначити мету роботи і сформулювати основні завдання дослідження.
Матеріали і апаратура. Виходячи з мети і поставлених завдань були визначені матеріали і апаратура.
Матеріалами для досліджень були вибрані технічний молібден марки МЧВП і мідь марки М1.
Термічне напилення шару міді на молібден і іонну обробку його поверхні проводили на модифікованій установці вакуумного напилення УРМ-3. Для проведення іонної обробки установку додатково оснастили джерелом живлення тліючого розряду і газовим устаткуванням для подачі в камеру інертного газу (аргону).
Зварювання зразків для досліджень здійснювали на установці типа УВН з радіаційним нагрівом.
Механічні випробування зварних з'єднань на зріз проводили на розривній машині УР-3 з використанням спеціалізованого оснащення.
Аналітична модель модифікації поверхні металу. Принцип низькоенергетичної іонної обробки полягає в бомбардуванні зразка іонами, які співударяючись з атомами зразка, передають їм енергію в напрямі від поверхні в глибину зразка.
У кожному каскаді зіткнень накопичена енергія йде на утворення великого числа зміщених атомів (рис. 1). В ході розвитку каскаду вздовж сліду кожного вибитого атома утворюється зона, збагачена вакансіями. Після того, як закінчилося поширення каскаду, можливі помітні дифузійні процеси, обумовлені високою концентрацією точкових дефектів, що виникли в об'ємі каскаду. Розроблена математична модель зв'язує режими іонної обробки з розподілом точкових дефектів та дає можливість прогнозувати положення максимуму зсувів і розміри каскаду. Для моделювання нелінійних ефектів при взаємодії іонів низьких енергій з поверхнею твердого тіла використовували методи молекулярної динаміки, зокрема метод часток.
Рис. 1 Модель взаємодії іонів низьких енергій з поверхнею твердого тіла
Як потенціал атомної взаємодії був вибраний потенціал Морзе:
, (1)
де J і б - параметр енергії дисоціації пари атомів і міра ангармонізму потенційної енергії;
(r-r0) - зсув атомів із стану рівноваги.
Розклавши потенціал в ряд Тейлора отримали:
, (2)
де К, А, В, С, D - коефіцієнти пружності, квадратичної і кубічної нелінійностей, коефіцієнти нелінійності в четвертій, п'ятій і шостій ступенях відповідно.
Енергію передану атому металу іоном аргону представляли у вигляді:
, (3)
де М1 і М2 - маса іона аргону і атома зразка;
E0 - енергія іона аргону.
Отримане рівняння описує взаємодію іонів плазми з одним з атомів твердого тіла без врахування його взаємодії з іншими атомами тіла. Тому для моделювання взаємодії системи атомів кристалічної решітки склали систему рівнянь у вигляді:
(4)
де хi, i=1...,n - зсув i-го атома з положення рівноваги;
K', K - коефіцієнти пружності в граничній і внутрішній областях відповідно;
в', в - коефіцієнти згасання в граничній і внутрішній областях.
Коефіцієнти K, A, B, C, D були розраховані за допомогою параметрів потенціалу Морзе.
Система отриманих рівнянь була розв'язана за допомогою методу Рунге-Кутта. В результаті проведених розрахунків отримані діаграми зсуву i-го атома з положення рівноваги, що дало можливість прогнозувати результати взаємодії іонів інертного газу, отриманих в тліючому розряді, з атомами реального металу і взаємодії атомів реального металу між собою.
Аналіз отриманих діаграм (рис. 2,а) показав, що перший атом отримує від зовнішньої взаємодії імпульс, який призводить до незначних коливань цього атома, недостатніх для подолання потенційної ями.
Але при іонній обробці одночасно поверхні передається імпульс від декількох іонів. Виникає накладання нелінійних коливань з поступовим збільшенням амплітуди атомів уздовж осі Х (рис. 2,б), з подальшою стабілізацією в нових положеннях, що, можливо, і призводить до створення нових і перерозподілу існуючих дефектів структури.
Рис. 2 Залежність зсуву атома № 1 (а) і № 210 (б) по осі Х від часу, який пройшов після моменту взаємодії (E0=16·10-17Дж (1000 еВ))
Таким чином, механізм модифікації поверхні твердого тіла, описаний методами молекулярної динаміки, може бути представлений як процес накладання на кристалічну решітку нелінійних коливань з поступовим збільшенням амплітуди коливань її атомів, зсувом їх зі стану рівноваги і стабілізацією в новому положенні (рис. 3).
Рис. 3 Абсолютний зсув ланцюжка атомів по осі Х
(час від моменту взаємодії 6·10-9 с)
Представлена модель дає можливість отримати залежність глибини проникнення каскадів зсувів від енергії іона аргону.
Вивчення ефективності використання іонної обробки для очищення поверхні молібдену. Важливим етапом підготовки деталей до зварювання в твердій фазі є очищення поверхні від окисної плівки, адсорбованих газів і жирових молекул. Збільшення товщини шару оксидів стримує розвиток деформаційного рельєфу поверхонь, що зварюються. Тому в умовах дифузійного зварювання у вакуумі спостерігається пряма залежність між ступенем очищення поверхні металу і міцністю з'єднання.
Підготовку поверхні здійснювали за варіантами відповідно до таблиці 1.
Таблиця 1
Підготовка поверхні молібдену
Варіант № |
Послідовність підготовки |
|
1 |
Без обробки |
|
2 |
1. Шліфування; 2. Хімічне травлення (HNO3) |
|
3 |
1. Шліфування; 2. Хімічне травлення (HNO3) 3. Іонне бомбардування (Ar+) в плазмі тліючого розряду |
Використання методу поляризаційного опору (рис. 4) дозволило оцінити ефективність очищення поверхні вимірюванням зміни електричного опору системи електрод-електроліт-електрод (Rc) при проходженні електрохімічної корозії на поверхні електродів.
Rp1, Rp2 - поляризаційний опір електродів; Rs - опір розчину; E1, E2 - електродний потенціал; Cp1, Cp2 - поляризаційна ємкість електродів
Рис. 4 Схема двоелектродного електрохімічного перетворювача індикатора Р5126 (а) і еквівалентна схема його заміщення (б)
Дослідження показали, що опір системи електрод-електроліт-електрод, в яку входить електродна пластина без обробки (варіант 1), значно нижче, ніж опір системи з обробленою електродною пластиною. Використання шліфованої електродної пластини (варіант 2) збільшує опір системи на 25 %, а з додатковим іонним бомбардуванням (варіант 3) ще на 9 %.
Результати дослідження методом крайового кута змочування показують, що шліфування пластини молібдену знижує кут змочування б з 40є до 28є, а з додатковим іонним бомбардуванням до 19є.
Зменшення крайового кута змочування є результатом підвищення міцності адгезії в системі тверде тіло-рідина, викликане зміною енергетичного стану поверхні молібдену при її очищенні. Це підтверджує факт ефективності використання іонного бомбардування при підготовці поверхні молібдену до зварювання.
Дослідження структури поверхні молібдену на растровому електронному мікроскопі, показало, що використання механічної обробки і хімічного травлення (варіант 2), призводить до появи на поверхні темних плям (рис. 5,а).
Рис. 5 Мікроструктура поверхні молібдену по 2 (а) і 3 (б) варіанту підготовки
Аналіз хімічного складу плям показав, що це продукти взаємодії металу з кислотою і абразивами.
Іонне бомбардування поверхні молібдену (варіант 3), виявляє границі зерен, що свідчить про видалення забруднень (рис. 5,б).
В результаті проведених досліджень запропонована послідовність підготовки поверхні молібдену під вакуумне термічне напилення міді, що забезпечує ефективніше очищення за рахунок застосування іонного травлення безпосередньо у вакуумній камері, що використовується для напилення.
Визначення оптимальних параметрів термічного вакуумного напилення міді на поверхню молібдену. Для забезпечення відтворюваності параметрів напиленого шару, відкриття заслінки виконували по досягненню на випаровувачі умовної температури випаровування. Тривалість напилення підбирали так, щоб отримати шар міді завтовшки 1ч1,5 мкм (рис. 6), оскільки товщина шару повинна перевищувати максимальну розрахункову довжину пробігу іона аргону в молібдені при режимах іонної обробки, що використовувалися.
Рис. 6 Експериментальна залежність товщини напиленого шару від тривалості напилення ( )
Вивчення впливу іонної обробки молібдену на його механічні властивості. Від механічних характеристик поверхневого шару молібдену в значній мірі залежить повнота проходження процесу зварювання. Відомо, що в процесі іонної обробки, внаслідок впровадження легуючих елементів відбувається поступове збільшення мікротвердості. Тому метою дослідження впливу іонної обробки молібдену на механічні властивості його поверхневого шару є визначення максимально допустимих режимів обробки, з точки зору пластичності модифікованого шару.
У дослідженнях використовували пластини молібдену 30Ч10Ч5 мм. Пластини розділялися на три ділянки, розмірами 10Ч10 мм (рис. 7).
Рис. 7 Схема зразка для вимірювання мікротвердості
Термічне напилення міді проводили на ділянки 1 і 3. Іонну обробку проводили на ділянці 3. На ділянці 2 термічне напилення міді і іонну обробку не проводили.
В результаті проведеного дослідження встановлений діапазон режимів обробки, при яких механічні властивості поверхневих шарів молібдену забезпечать плавний їх перехід від міді до молібдену в зварному зразку (tобр=10ч20 хв, Uобр=700ч1500 В).
Дослідження характеру масопереносу при ДЗВ міді з модифікованим молібденом. Аналіз концентраційного профілю розподілу 63Ni в молібдені (рис. 8), свідчить про те, що попередня обробка зразка іонами аргону призводить до збільшення загального дифузійного шару. За рахунок перемішування атомів напиленого шару Cu, ізотопу 63Ni і Мо, внаслідок чого частина атомів ізотопу 63Ni проникає в Мо, утворюючи псевдодифузійний шар ще до початку зварювання, а в процесі подальшого зварювання атоми 63Ni дифундують в Мо вже з певної глибини.
Рис. 8 Концентраційний профіль розподілу ізотопу 63Ni в молібдені після ДЗВ без застосування (I) і із застосуванням іонної обробки (II)
Проведений мікрорентгеноспектральний аналіз елементів в перехідній зоні з'єднання молібдену з міддю показав, що ця зона залишається асиметрична, але може значно змінюватися під дією попередньої обробки іонами аргону.
Застосування навіть низькоенергетичного розряду для іонної обробки шару міді, нанесеного на поверхню молібдену, дає можливість збільшити глибину проникнення атомів міді в молібден з 23 мкм до 32 мкм. Що свідчить про обґрунтованість застосування іонної обробки для розширення дифузійної зони в зварному з'єднанні Cu-Мо.
Визначення оптимальних параметрів процесу іонної обробки і ДЗВ. Для визначення оптимальних параметрів процесу ДЗВ був проведений ряд експериментів, які показали відсутність необхідності в корекції параметрів, що відомі з літератури (Тзв=1223 К, tзв=20 хв, Рзв=16 МПа, Vзв=2·10-3 мм.рт.ст).
Для визначення оптимальних параметрів процесу іонної обробки застосували повнофакторний експеримент типа 22. Як параметр оптимізації прийняли міцність зварного з'єднання на зріз, як фактори - напруга прискорення і тривалість обробки при незмінних інших факторах. Аналогічно моделювали вплив зміни параметрів іонної обробки на механічні властивості поверхні молібдену і ширину дифузійної зони при ДЗВ. В результаті проведеної оптимізації ширина загальної дифузійної зони, в порівнянні із з'єднанням отриманим без застосування іонної обробки, збільшилася на 15 % і досягла 27 мкм (рис. 9), а міцність зварного з'єднання на зріз досягла міцності міді.
Рис. 9 Мікроструктура і розподіл Cu та Mo у зоні зварного з'єднання
Вимірювання питомого електричного опору біметалевого з'єднання. Крім міцністі, важливою вимогою, що визначає якість електротехнічного з'єднання, є його електроопір. Вимірювання електроопору, проведені спільно з університетом ім. Т. Г. Шевченко по методу зарядки еталонного конденсатора, показали, що електроопір мідно-молібденових вузлів отриманих через модифікований шар на 20 % менший ніж електроопір вузлів отриманих через прошарок нікелю.
Оцінка напружено-деформованого стану біметалевого з'єднання. Зважаючи на відмінності фізико-механічних властивостей металів, що зварюються, і складність математичного опису властивостей модифікованого шару оцінку напружено-деформованого стану зварного з'єднання отриманого без застосування іонної обробки моделювали за допомогою кінцево-елементного пакету Ansys, а зварного з'єднання отриманого із застосуванням іонної обробки проводили експериментальним рентгенівським методом.
Рівень залишкових мікродеформацій визначали методом апроксимації функцій «И-2И». В результаті розрахунку зроблений висновок про те, що метали зварного з'єднання зазнають анізотропного спотворення решіток, причому ці спотворення для міді в сотні разів більші, ніж для молібдену.
Вимір залишкових напружень проводили методом двох зйомок по співвідношенню:
, (5)
де - міжплощинна відстань, що вимірюється по рентгенограмі, знятій при напрямі променю перпендикулярно до поверхні зразка;
- міжплощинна відстань, що вимірюється по рентгенограмі, знятій при напрямі променю під кутом ш до нормалі.
Зіставивши дані, отримані рентгенівським методом і розрахунковим методом, визначили, що використання іонної обробки зменшує рівень еквівалентних напружень в молібдені на 36 %, і на 28 % в міді, а також зменшує стрибок напружень в контакті металів з 55 МПа до 21 МПа (рис. 10).
Рис. 10 Залишкові напруження в поверхні, що досліджувалася, зварного з'єднання, отриманого з використанням іонної обробки (?), і у відповідній поверхні моделі зварного з'єднання, отриманого без використання іонної обробки (^)
За розробленою технологією виготовлені робочі аноди, які пройшли випробування на науково-виробничому підприємстві ТОВ «Силіт» (м. Чернігів) і показали високі експлуатаційні характеристики.
Загальні висновки
1. Встановлена ефективність використання при ДЗВ міді с молібденом модифікації поверхні молібдену.
2. Встановлено, що іонне травлення дозволяє підвищити якість підготовки поверхні молібдену. Методом крайового кута змочування показано, що іонне травлення пластини молібдену знижує кут змочування б на 67%, за рахунок зміни енергетичного стану поверхні при її очищенні.
3. Визначений оптимальний діапазон режимів іонної обробки поверхні молібдену (tобр=18 хв, Uобр=700 В), при якому утворюється модифікований шар з механічними властивостями, що забезпечують зварному зразку поступову зміну мікротвердості від молібдену до міді.
4. Встановлений вплив іонної обробки на ефективний коефіцієнт дифузії і ширину дифузійної зони. Показано, що при ДЗВ міді з молібденом наявність на поверхні молібдену модифікованого шару дозволяє збільшити ширину дифузійної зони міді в молібдені на 15% у порівнянні зі зварюванням напряму.
5. Встановлено, що при ДЗВ міді з молібденом наявність на поверхні молібдену модифікованого шару дозволяє отримати міцність зварного з'єднання на зріз на рівні міцності міді - 110 МПа, що на 12% більше міцності зварного з'єднання отриманого через прошарок нікелю, та на 70% більше міцності зварного з'єднання отриманого напряму.
6. Встановлено, що електроопір мідно-молібденових вузлів отриманих за наявності на поверхні молібдену модифікованого шару на 20 % менший ніж електроопір вузлів отриманих через прошарок нікелю. Зниження електроопору вузлів пояснюється відсутністю у з'єднанні твердих розчинів нікелю.
7. Визначений характер розподілу залишкових зварних напружень у з'єднаннях, отриманих за наявності на поверхні молібдену модифікованого шару та напряму. Встановлено, що використання модифікованого шару зменшує рівень еквівалентних напружень в зварному з'єднанні міді з молібденом на 30-35% за рахунок збільшення загальної ширини дифузійної зони.
8. Вдосконалено технологію дифузійного зварювання у вакуумі міді з молібденом шляхом модифікації поверхні молібдену.
Основний зміст дисертації відображено в публікаціях
1. Харченко Г.К., Горбань В.Ф., Ганєєв Т.Р. Дослідження механічних властивостей молібдену модифікованого атомами міді // Вісн. Черніг. держ. технол. ун-ту, 2006. №26. С. 89-94.
Автором досліджено вплив режимів іонної обробки поверхні молібдену на зміну його механічних властивостей.
2. Болотов Г.П., Новомлинец О.А., Ганеев Т.Р., Болотов М.Г. Активация и модификация поверхностей металлов в вакууме перед сваркой и пайкой / Доклады научно-практического семинара "Сварка и родственные процессы в промышленности". К.: Экотехнология, 2006. С.47-49.
Автор приймав участь у підготовці доповіді о можливості застосування іонної обробки у тліючому розряді для активації поверхні металів та модифікації їх приповерхневих шарів при зварюванні та паянні.
3. Карасєвська О.П., Харченко Г.К., Ганєєв Т.Р., Прибитько І.О. Напружено-деформований стан зварних з'єднань міді з молібденом // Вісн. Черніг. держ. технол. ун-ту, 2008. №34. С. 119-124.
Автором виготовлені зварні зразки для проведення дослідження напружено-деформованого стану з'єднання та проводився аналіз результатів.
4. Захаров С.М., Цях Р., Ганєєв Т.Р., Храновська К.М., Харченко Г.К., Диффузійні процеси в зоні контакту міді з молібденом // Доповіді НАН України, 2008. №6. С. 97-100.
Автором виготовлені зварні зразки для проведення дослідження, проаналізовані отримані результати.
5. Харченко Г.К., Болотов Г.П., Ганєєв Т.Р., Прибитько І.О. Очищення поверхні молібдену для дифузійного зварювання. // Вісн. Черніг. Держ. Технол. ун-ту, 2009. № 36. С. 88-93.
Автором проведені дослідження методом поляризаційного опору та крайового кута змочування, а також проаналізовані отримані результати.
6. Ганєєв Т.Р., Руденко М.М. Дифузійне зварювання Mo та Cu з попередньою активацією поверхні / Матеріали ІІІ Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології». Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 2005. с. 27.
Автором представлені результати досліджень застосування іонної обробки у тліючому розряді для активації поверхні більш тугоплавкого з пари металів, що зварюються.
7. Ганєєв Т.Р., Руденко М.М. Дифузійне зварювання у вакуумі міді з молібденом / Матеріали ІV Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології». - Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 2007. с. 18.
Автором представлені результати досліджень застосування іонної обробки у тліючому розряді для модифікації поверхні більш тугоплавкого з пари металів, що зварюються з метою підвищення міцності з'єднання.
8. Ганєєв Т.Р., Прибитько І.О. Напружено-деформований стан зварних з'єднань міді з молібденом / «Зварювання та споріднені процеси і технології» Материалы Всеукраїнської науково-технічної конференции студентів, аспірантів і молодих науковців: - Миколаїв: НУК, 2008. C. 48-49.
Автором представлені результати дослідження напружено-деформованого стану з'єднання Cu-Mo.
9. Харченко Г.К., Ганєєв Т.Р., Новомлинец О.А. Применение ионной модификации поверхностных слоев при диффузионной сварке в вакууме меди с молибденом / Труды 8-й Всероссийской с международным участиемнаучно-технической конференции. 30 ноября - 1 декабря 2009 г. «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского.: Сб трудов. М.: МАТИ, 2009. с. 374.
Автором представлені результати розробки математичної моделі взаємодії іонів плазми тліючого розряду з атомами поверхні, що обробляється.
Анотація
Ганєєв Т.Р. Вдосконалення технології дифузійного зварювання міді з молібденом. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06. - “Зварювання та спорідненні процеси і технології”. - Інститут електрозварювання ім. Е.О. Патона НАН України, Київ, 2010.
Дисертаційна робота присвячена розробці технології дифузійного зварювання у вакуумі молібдену з міддю.
Методами математичного моделювання встановлений зв'язок між енергією бомбардуючих поверхню металу іонів і положенням максимуму зміщення атомів молібдену, що дозволило розрахувати режим що забезпечує найкращі умови впровадження атомів міді напиленого шару в молібден.
Методами поляризаційного опору і крайового кута змочування визначений режим іонного травлення, що дозволяє підвищити якість підготовки поверхні молібдену перед термічним вакуумним напиленням на неї шару міді. Запропонований режим, що забезпечує напилення шару необхідної товщини.
Виявлений діапазон режимів іонної обробки поверхні молібдену покритої шаром міді, при якому утворюється модифікований шар з механічними властивості що забезпечують зварному зразку плавну зміну мікротвердості від міді до молібдену.
Методом мікрорентгеноспектрального аналізу показано збільшення ширини дифузійної зони міді в молібдені при застосуванні модифікованого шару на 15%.
Визначений режим зварювання молібдену з міддю що забезпечує підвищення міцності з'єднання на зріз до 110 МПа, тобто до рівноміцності міді.
На основі проведених досліджень розроблена технологія виготовлення способом дифузійного зварювання у вакуумі мідно-молібденових анодів.
Ключові слова: дифузійне зварювання, вакуум, молібден, мідь, іонне травлення, іонна обробка, дефектоутворення, масоперенос, модифікований шар, біметалічні аноди.
Аннотация
Ганеев Т.Р. Усовершенствование технологии диффузионной сварки меди с молибденом. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06. - Сварка родственные процессы и технологии. - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2010.
Диссертационная работа посвящена разработке технологии диффузионной сварки в вакууме молибдена с медью.
С целью повышения статической прочности и термостойкости, а также снижения электрического сопротивления сварных узлов в работе предложено применение низкоэнергетической ионной обработки в плазме тлеющего разряда поверхности молибдена, предварительно покрытой слоем меди, для создания промежуточной прослойки при его сварке с медью.
Для выявления путей влияния низкоэнергетических ионов плазмы на свойства приповерхностных слоев молибдена применили методы молекулярной динамики. Математическим моделированием процесса установлена связь между энергией бомбардирующих поверхность металла ионов и положением максимума смещений атомов молибдена, что позволило рассчитать режим обеспечивающий наилучшие условия внедрения атомов напыленного слоя меди в молибден.
Методами поляризационного сопротивления и краевого угла смачивания определен режим ионного травления, позволяющий повысить качество подготовки поверхности молибдена перед термическим вакуумным напылением на неё слоя меди. Предложен режим обеспечивающий напыление слоя необходимой толщины.
Обнаружен диапазон режимов ионной обработки поверхности молибдена покрытой слоем меди, при котором образуется модифицированный слой с механическими свойства обеспечивающими сварному образцу плавное изменение микротвердости от меди к молибдену.
Для определения влияния предложенной последовательности операций на служебные характеристики сварного соединения проведен ряд исследований. Методом микрорентгеноспектрального анализа показано увеличение ширины диффузионной зоны меди в молибдене при применение модифицированного слоя на 15%. Определен режим сварки молибдена с медью обеспечивающий повышение прочности соединения на срез до 110 МПа, тоесть равнопрочного меди. Экспериментальным рентгеновским методом и методом математического моделирования показано снижение остаточных эквивалентных напряжений в полученных соединениях на 30-35%. Показано увеличение стойкости при термоциклирование в 5 раз по сравнению с соединением непосредственно Cu-Mo и снижение удельного электрического сопротивления на 20% по сравнению с сварным соединением полученным по традиционной технологии с применением прослойки никеля.
На основе проведенных исследований разработана технология изготовления способом диффузионной сварки в вакууме медно-молибденовых анодов.
Ключевые слова: диффузионная сварка, вакуум, молибден, медь, ионное травление, ионная обработка, дефектообразование, массоперенос, модифицированный слой, биметаллические аноды.
Abstract
Ganeev T.R. Improvement of technology of the diffusive welding of copper with a molybdenum. - Manuscript.
The thesis for a scientific degree of the Candidate of Sciences (Engineering) by specialty 05.03.06. - Welding and related processes and technologies. - The E.O. Paton Electric Welding Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2010.
Dissertation is devoted to the development of technology of the diffusive welding in the vacuum of molybdenum with a copper.
The methods of mathematical design are set connection between energy of bombardings the surface of metal of ions and by position of a maximum of displacements, that allowed to expect the mode providing the best terms of introduction of atoms of copper of layer in a molybdenum.
The mode of ionic etch, allowing to promote quality of preparation of surface of molybdenum before thermal vacuum deposition on it слоя coppers, is certain the methods of polarization resistance and regional corner of moistening. The mode is offered providing of layer of necessary thickness.
Found out the range of the modes of ionic treatment of surface of molybdenum of the copper covered a layer, at which the modified layer appears with mechanical properties providing the weld-fabricated standard a smooth change a microhardness from a copper to the molybdenum.
The method of analysis is rotin the increase of width of diffusive area of copper in a molybdenum at application of the modified layer on 15%.
The mode of welding of molybdenum is certain with a copper providing the increase of durability of connection on a cut to 110 MPa.
On the basis of the conducted researches technology of making of the diffusive welding a method is developed in the vacuum of copper-molybdenum anodes.
Keywords: diffusive welding, vacuum, molybdenum, copper, ionic etch, ionic treatment, modified layer, bimetallic anodes.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Історія розвитку зварювання. Діаграма технологічної пластичності жароміцних нікелевих сплавів. Суть, техніка та технологія дифузійного зварювання. Вплив температури на властивості з'єднань при нормальній температурі сплавів. Процес дифузійного зварювання.
реферат [1,3 M], добавлен 02.03.2015Ливарне виробництво. Відомості про виробництво, традиційні методи обробки металічних сплавів. Нові види обробки матеріалів (електрофізичні, електрохімічні, ультразвукові). Види електроерозійного та дифузійного зварювання, сутність і галузі застосування.
контрольная работа [34,6 K], добавлен 25.11.2008Етапи видобутку молібденових руд, які містять частки відсотка молібдену та поділяються на кварцові, комплексні за вольфрамітом, скарнові. Особливості переробки концентратів, вилуговування МоО3 розчинами аміаку, виробництва триокису молібдену сублімацією.
реферат [24,7 K], добавлен 30.01.2010Вплив домішок на властивості міді, її фізичні та механічні властивості. Вибір способу зварювання. Ручне дугове зварювання графітовим електродом. Зварювання під флюсом. Механічні властивості дроту. Розроблення зварювальних кромок. Термічна обробка.
контрольная работа [228,7 K], добавлен 16.06.2016Розгляд ЕРАН поверхні при обробці деталі "втулка". Склад операцій для її механічної обробки, межопераційні та загальні розміри заготовки. Метод табличного визначення припусків і допусків. Технологічний маршрут обробки ЕРАН поверхні валу з припусками.
контрольная работа [579,3 K], добавлен 20.07.2011Особливості технології зварювання плавленням металоконструкцій. Способи зварювання сталі: ручне електродугове зварювання, напівавтоматичне зварювання в СО2. Порівняльний аналіз конструктивних, технологічних та економічних факторів технології зварювання.
реферат [412,4 K], добавлен 13.12.2011Застосування газового зварювання при виготовленні листових і трубчастих конструкцій зі сталі. Оцінка зварюваності корпусу стакану, призначеного для збору та зберігання рідини, сипучих матеріалів на виробництві, на монтажі або в побутових умовах.
курсовая работа [937,6 K], добавлен 06.05.2014Розробка ескізу конструкції дифузійного діода та технологічного маршруту його виготовлення. Введення домішок в напівпровідник за допомогою дифузії та іонної імплантації. Розрахунок режимів технологічних операцій при виготовленні дифузійного діода.
курсовая работа [652,6 K], добавлен 02.05.2021Основні стадії процесу зварювання. Види газокінетичних перерізів, особливості термічної іонізації та рекомбінації. Способи зменшення розбризкування металу при зварюванні електродом. Технологія дифузійного зварювання у вакуумі з радіаційним нагрівом.
контрольная работа [112,1 K], добавлен 13.12.2011Аналіз існуючих технологій виробництва капсульованої продукції. Оцінка рівня сучасних технологій застосування рослинних твердих жирів у виробництві борошняних кулінарних виробів. Перспективи розвитку технології капсульованої жировмісної продукції.
курсовая работа [133,7 K], добавлен 01.12.2015Вибір методу та об’єкту дослідження. Дослідження впливу перепадів температур на в’язкість руйнування структури та температури при транскристалітному руйнуванні сплаву ЦМ-10. Вплив релаксаційної обробки на в’язкість руйнування сплавів молібдену.
реферат [99,0 K], добавлен 10.07.2010Передові прийоми і прогресивні технології зварювання, високопродуктивні способи зварювання. Аналіз зварної конструкції. Вибір обладнання і пристосування, підготовка матеріалів до зварювання. Техніка дугового зварювання та контроль якості зварювання.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 25.03.2016Автоматичне і напівавтоматичне дугове зварювання, переваги; характеристика флюсів. Будова зварювальних автоматів. Особливості дугового зварювання в захисних газах. Технологія електрошлакового зварювання, якість і продуктивність; промислове застосування.
реферат [1,5 M], добавлен 06.03.2011Дослідження процесу зварювання під час якого утворюються нероз'ємні з'єднання за рахунок сил взаємодії атомів (молекул) в місці, де з'єднуються матеріали. Зварювання плавленням і зварювання тиском (пластичним деформуванням). Газове зварювання металів.
реферат [467,9 K], добавлен 21.10.2013Вибір, обґрунтування технологічного процесу термічної обробки деталі типу шпилька. Коротка характеристика виробу, що піддається термічній обробці. Розрахунок трудомісткості термічної обробки. Техніка безпеки, електробезпеки, протипожежні міри на дільниці.
курсовая работа [70,6 K], добавлен 10.09.2012Основні характеристики зварювання - процесу утворення нероз'ємного з'єднання між матеріалами при їх нагріванні. Класифікація і види зварювання. Вимоги до якості технології процесу зварювання. Маркування, транспортування і зберігання зварювальних апаратів.
курсовая работа [181,1 K], добавлен 02.12.2011Зварювання маловуглецевих і середньовуглецевих сталей газовим способом. Часткове вигоряння легуючих домішок і втрата властивостей шва під час газозварки конструкційних легованих сталей. З'єднання чавуну, міді, латуні і бронзи, алюмінію та інших металів.
контрольная работа [2,1 M], добавлен 19.12.2010Вибір обладнання для зварювання кільцевих швів теплообмінника і його закріплення на обладнанні. Перевірочний розрахунок найбільш навантажених вузлів пристрою. Розробка схеми технологічних процесів для виготовлення виробу і визначення режимів зварювання.
курсовая работа [401,7 K], добавлен 28.01.2012Характеристика виробу та матеріалу та режими зварювання. Розрахунок параметрів режиму зварювання безперервним оплавленням. Обґрунтування структури установки та конструкція основних її вузлів та пристроїв. Розрахунок вторинного контуру зварювальної машини.
дипломная работа [256,9 K], добавлен 23.09.2012Технологічний аналіз операцій по виготовленню газового балону з низьколегованої сталі 14ХГС. Вибір складально-зварювального устаткування та способу зварювання. Розрахунок режиму зварювання, технологічної собівартості, вибір швів та підготовка кромок.
курсовая работа [347,4 K], добавлен 10.12.2014