Расчет параметров вибрационного смешивания металлических композитов медь-галлий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННОГО СМЕШИВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ МЕДЬ-ГАЛЛИЙ

Игнатьев Игорь Эдуардович,

Шубин Алексей Борисович

Игнатьева⁺ Елена Викторовна

Лаборатория физической химии металлургических расплавов. Институт металлургии УрО РАН. ИМЕТ УрО РАН. Ул. Амундсена, 101. г. Екатеринбург. 620016. Россия.

Аннотация

порошковый медь галлий вибрационный

Рассмотрен вопрос определения параметров вибрационного воздействия на смесь порошковой меди и жидкого галлия при комнатной температуре, обеспечивающих смачивание частиц меди галлием и образование медно-галлиевой пасты. Построена прогностическая зависимость угла смачивания от амплитуды, частоты и числа циклов вибрации, позволяющая определить необходимую для получения пасты длительность обработки.

Ключевые слова: галлий, медь, смачиваемость, порошок, вибрационное перемешивание.

Введение

Диффузионно-твердеющие сплавы (ДТС) на основе галлия являются важным классом металлических композиционных материалов. Они используются в качестве припоев для соединения разнородных материалов (например, пары металл-керамика), в электронной промышленности, а также в стоматологии (как пломбировочные композиции). При синтезе ДТС первоначально изготовляют пасту, содержащую жидкометаллический компонент (например, галлий, или его сплав с индием (оловом)) и наполнитель (например, порошок меди или ее сплава). Указанная паста хорошо поддается формовке при комнатной температуре. После определенной экспозиции, протекания диффузионных процессов и химического взаимодействия паста затвердевает и приобретает значительную механическую прочность.

Один из путей получения медно-галлиевой пасты - вибрационное воздействие на смесь ее компонентов, взятых в заданном соотношении [1]. Качество пасты во многом определяется равномерностью распределения частиц меди по галлиевой матрице, а также наличием смачивания между медью и галлием. При комнатной температуре такое смачивание отсутствует и активируется только силовым воздействием на смесь - например, вибрационным. Поэтому актуальна задача определения амплитудно-частотных параметров низкочастотного импульсного воздействия (вибрации), обеспечивающих однородность пасты и смачивание меди галлием при любых смешиваемых объемах.

Вибрационное воздействие на смесь (медный порошок - жидкий галлий) обычно осуществляют в специальных аппаратах, в закрытых полимерных капсулах, при наличии газовой атмосферы. Амплитуда колебаний может достигать нескольких сантиметров при частоте порядка 50 Гц. Физически для получения смеси (пасты) должно быть выполнено два основных условия: затопление частиц медного порошка в жидкий галлий и достижение смачивания между компонентами смеси. Твердой частице малого размера нужно обладать определенной скоростью, чтобы преодолеть поверхностное натяжение расплава и погрузиться в него. Наличие оксидов и газовых пузырьков на частице и поверхности расплава препятствует смачиванию и, опосредованно через смачивание, затоплению частицы в расплав. При вибрационном воздействии на смесь различие скоростей частиц расплава и твердых частиц приводит к возникновению напряжений на их границах, удалению части газовых пузырьков, истончению или прорыву оксидных пленок и уменьшению угла смачивания. [2-3]. То есть, выполнение обоих условий зависит от скорости движения порошковой частицы относительно жидкой среды. Поскольку и затопление, и смачивание должно быть обеспечено для каждой частицы порошкового массива, то поиск оптимальных режимов вибрационной обработки следует начать с рассмотрения движения отдельной частицы порошка относительно расплава.

1. Условия затопления медной порошковой частицы в расплав галлия

Пусть в начальный момент приложения вибрации порошковая частица покоится на дне капсулы и заливается жидким галлием. Ее начальная скорость относительно жидкости равна нулю, но при этом частицу можно считать условно затопленной в расплав. «Условно» - поскольку на воздухе поверхности и меди, и галлия покрыты оксидной пленкой, и угол смачивания намного превышает 90⁰, - а в отсутствие смачивания расплавом сохраняется контакт частицы с дном сосуда. То есть обеспечить хотя бы «условное» затопление возможно и при нулевой начальной скорости, но это не решает задачу смачивания.

Поэтому рассмотрим случай падения порошковой частицы в расплав с некоторой начальной скоростью . Плотность меди (= 8920кг/м²) и плотность жидкого галлия ( = 6095кг/м²) известны. Частицы меди можно рассматривать как в форме кубиков объемом , так и в виде шариков объемом . Покажем, что для решения важны не столько форма, сколько размер частиц. При равенстве объемов ребро кубика и диаметр шарика связывает соотношение . Если, например, d = 40 мкм, то соответствующий размер мкм. Уравнение движения частицы сквозь границу расплава предполагает учет веса частицы, архимедовой силы, а также силы поверхностного натяжения. При кубической форме частицы архимедова сила равна , а сила поверхностного натяжения - , где g - ускорение свободного падения, - глубина погружения в расплав, у = 0.735Н/м - поверхностное натяжение галлия при 30 ^оС, - угол смачивания. Сила поверхностного натяжения зависит от величины угла смачивания и при тупом угле направлена против движения частицы. С учетом полного затопления частицы в расплав, эти две силы равны между собой при мм, а с уменьшением размера частицы влияние архимедовой составляющей относительно поверхностного натяжения убывает. При мкм их отношение составляет . Примерно такое же соотношение получим и при округлой форме частиц. Для изготовления пасты обычно используют высокодисперсные сферические порошки. Следовательно, архимедову силу в уравнении движения отдельной частицы сквозь границу расплава можно не учитывать:

(1)

и, далее

(2)

Принимая, что в момент касания (t=0 с) частицей расплава глубина погружения y=0, получим

(3)

Из решения системы уравнений (2) и (3) при в тот момент времени, когда , следует, что минимальное значение начальной скорости, позволяющей частице преодолеть поверхностное натяжение, равно м/с. Аналогичное решение для сферических частиц диаметром d = 40 мкм дает величину м/с. То есть, налицо несущественное отличие от значения для частиц той же массы в форме кубика. В представленном выше решении принимали, что угол=160⁰. Если бы величина угла смачивания была , то ввиду частицы затонули бы в расплаве и при отрицательной начальной скорости.

2. Зависимость угла смачивания частиц меди жидким галлием от скорости их погружения в галлиевый расплав

Снижение значения угла смачивания зависит от величины ударной нагрузки, разрушающей оксидную пленку на материалах компонентов смеси и создаваемой импульсом движения частицы. Поскольку литературные данные по этой тематике практически отсутствуют (существуют различные методы определения угла смачивания порошков жидкостями, например, [4], но они не позволяют оценить его изменения в динамике), мы провели следующий (пилотный) эксперимент. На шлифованную медную пластину, зачищенную спиртом и оставленную на сутки на воздухе для образования оксидной пленки, с различной высоты сбрасывали капли жидкого галлия объемом, примерно, 10 мм³, фотографировали их и, используя готовое решение программы анализа изображения SIAMS 700, измеряли угол смачивания. При этом мы сознавали, что толщина оксидной пленки на порошке и пластинках может сильно отличаться, что существует влияние шероховатости поверхности и гистерезис смачивания [5], а угол смачивания варьируется ввиду разлива капли по пластине и так далее. Но нам нужны были хотя бы качественная картина и оценка возможности такого измерения. В результате эксперимента получили, что при нулевой скорости столкновения капли с пластиной угол смачивания примерно равен 160⁰ (округляли до десятков градусов). При скорости 3.8 м/с угол смачивания близок к 90⁰, а при 4.2 м/с составляет около 80⁰. При больших скоростях происходило разбрызгивание, и капля растекалась по пластине так, что определить значение угла смачивания было невозможно. Однако известно [6], что для чистых от оксидов поверхностей этих металлов угол смачивания при комнатной температуре составляет = 60-70⁰. Поэтому по полученным значениям построили примерную линейную зависимость косинуса угла смачивания от скорости столкновения порошковой частицы меди с расплавом галлия

(4)

Начальная скорость м/с погружения частицы в расплав достаточно близка к значению м/с, соответствующему наступлению смачивания (). Таким образом, если путем вибрации с амплитудой A и циклической частотой щ задать скорость м/с медной частицы относительно расплава галлия, то такое воздействие обеспечит как смачивание, так и затопление частицы за один вибрационный цикл. Однако положительный результат можно получить и при меньшей скорости, но за большее число циклов, так как известно, что вибрационная обработка расплава способна разрушать не только оксидные пленки, но и твердые включения [7-9].

3. Построение функциональной зависимости угла смачивания от числа вибрационных циклов

Попытаемся построить зависимость угла смачивания от числа вибрационных циклов. Допустим, что начальная скорость погружения частиц в расплав ниже той, которая сразу приводит к смачиванию. При колебаниях капсулы с порошком и расплавом в любой момент времени часть частиц порошка оказывается опертой на стенку капсулы, что отвечает условному затоплению этих частиц даже при нулевой скорости, поэтому будем считать, что частицы находятся уже внутри расплава. Под воздействием силы инерции при вибрации с приведенной силой частица движется в расплаве, испытывая его вязкое сопротивление . Уравнение движения частицы без учета гравитационной составляющей (колебания в горизонтальной плоскости):

(5)

где - динамическая вязкость галлия. Начальные условия при t = 0 примем , тогда решение уравнения (5):

, (6)

, (7)

где , , .

Во многих вибрационных приборах частота колебаний определяется частотой в электросети, равной 50 Гц. Если брать для расчетов именно 50 Гц, принять размер медных частиц d = 40 мкм, а также предположить заполнение всего объема капсулы расплавом галлия, то после упрощений уравнение (7) будет выглядеть следующим образом:

. (8)

Например, при амплитуде А = 0.015 м на исходных циклах максимальная скорость частицы будет достигать 3 м/с, уменьшаясь со временем до 1.5 м/с.

При не полностью загруженном объеме капсулы скорость частицы будет еще больше, т.к. она будет двигаться вместе с потоком расплава (максимально возможная скорость м/с), пока расплав не достигнет стенки и частица не начнет в нем тормозить, но уже от этой, приобретенной в потоке, скорости. Очевидно, что для оценки влияния на изменение угла смачивания надо учитывать не абсолютную скорость частицы, а только ее скорость относительно расплава. Формулу (4), полученную на основе эксперимента, примем как базовую, соответствующую одному циклу вибрации. Как было указано выше, угол смачивания для чистых от оксидов поверхностей при комнатной температуре составляет =60-70⁰. Значит, этот угловой диапазон можно считать предельным и функция влияния циклов на угол смачивания должна быть гиперболического типа (то есть, исходное влияние с течением времени «гладко» снижается и нивелируется при = 60-70⁰). Тогда в качестве «подходящей» можно рассмотреть функцию

, (9)

где n - число циклов, - скорость, определяемая из уравнения (7).

При n = 0 , то есть до начала вибрационного воздействия, правое слагаемое уравнения (9) равно нулю и , как и должно быть. При n = 1 уравнение (9) превращается в формулу (4). При бесконечном числе циклов получим

. (10)

Если скорость соответствует наступлению смачивания при одном цикле м/с, то , а . То есть, в предельный диапазон попадаем и за его пределы не выходим. Если скорость м/с, то мы в пределе «захватываем» зону смачивания (). Поскольку число циклов представляется как произведение частоты колебаний и их длительности t, то после подстановки в (9) приходим к формуле

. (11)

Для определения показателя k провели эксперимент по виброобработке с амплитудой А = 0.015м и частотой Гц смеси жидкого галлия и медного порошка с диаметром частиц d = 40 мкм при комнатной температуре. Металлографическим исследованием установили, что признаки смачивания проявляются не ранее, чем через 10 с после начала обработки (рисунок). Обработка в течение 15 с приводит к полному смачиванию всех частиц.

Рисунок. Частичное смачивание частиц порошка меди жидким галлием в результате виброобработки Ga-Cu-смеси в течение 10 с. Амплитуда колебаний 0.015 м, частота 50 Гц.

Принимая соответствие длительности виброобработки t = 10 с и наступление режима смачивания , из уравнения (11) получаем k = 0.021.

Выводы

1. В результате исследований по получению качественной медно-галлиевой пасты посредством вибрационного воздействия на сосуд со смесью жидкого галлия и порошковой меди нами было установлено следующее. Форма медных порошковых частиц при их микронных размерах для способности к замешиванию в галлиевый расплав малосущественна, а скорость поступления медной частицы в расплав, обеспечивающая ее смачивание галлием, приблизительно равна 3.8 м/с. При этом нами не рассматривались случаи такого специи-фического (например, дендритного) строения частиц медного порошка, которое форми-руется, например, при электрохимическом осаждении: подобные дисперсные частицы заведомо не могут образовать качественную галлиевую пасту-композит.

2. Определено влияние амплитуды и частоты вибрации, а также размера кубической или сферической медной порошковой частицы на скорость ее движения в жидком галлии. Найдена зависимость угла смачивания частицы медного порошка жидким галлием от скорости ее движения в расплаве галлия и параметров вибрационной обработки.

Литература

[1] Шубин А.Б., Шуняев К.Ю., Гуляева Р.И., Федорова О.М. Взаимодейстие медно-оловянных порошков с эвтектическим расплавом галлий-индий. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.34. №4. С.79-82.

[2] Игнатьев И.Э., Пастухов Э.А., Игнатьева Е.В., Долматов А.В. Эффективность низкочастотной обработки расплава при наличии в нем агломерированных порошковых добавок. Расплавы. 2011. №2. С.3-9.

[3] Игнатьев И.Э., Долматов А.В., Игнатьева Е.В., Истомин С.А., Пастухов Э.А. Псевдокавитация при низкочастотной обработке расплавов. Расплавы. 2011. №3. С.3-8.

[4] Архипов В.А., Палеев Д.Ю., Трофимов В. Ф., Усанина А.С. Способ определения смачиваемости порошковых материалов Патент РФ № 2457464 G01N 13/00, Опубл. 27.07.2012 Бюл. №21,

[5] Аппен А.А. Температуроустойчивые неорганические покрытия. Изд. 2-е, пер. и доп. Л: Химия. 1976. 296с.

[6] Задумкин С.Н., Хатажуков А.С. Влияние магнитного поля на кинетику смачивания некоторых легкоплавких металлов по твердой поверхности меди. Сб. «Совместимость и адгезионное взаимодействие расплавов с металлами. Киев. Изд-во: Институт проблем материаловедения АН УССР. 1978. С.3-15.

[7] Игнатьев И.Э., Пастухов Э.А., Бодрова Л.Е., Игнатьева Е.В., Гойда Э.Ю. Особенности метода низкочастотной обработки расплавов. Изв. вузов. Цветная металлургия. 2013. №2. С.33-38.

[8] Игнатьев И.Э., Пастухов Э.А., Бодрова Л.Е. Метод получения сплавов низкочастотной обработкой их расплавов. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic publishing. 2013. 170c.

[9] Игнатьев И.Э., Сипатов И.С. Особенности микронного диапазона размеров порошковых частиц. Бутлеровские сообщения. 2013. Т.34. №5. С.60-66.

Размещено на Allbest.ru