Труды КНЦ (Технические науки вып.2/2023(14))

Введение Существует большое разнообразие способов соединения разнородных материалов (стекла, керамики, рубина, ситалла и других) между собой и с металлами. Во многих случаях при известных методах пайки приходится использовать напыление металла на поверхность, вжигание или высокотемпературное лужение поверхности, а для предотвращения окисления использовать плавкие флюсы. В ряде областей техники перспективным является применение диффузионно-твердеющих композиций (ДТК), получаемых смешением жидкого металлического сплава с твердыми мелкодисперсными металлическими порошками и некоторыми наполнителями. В отличие от обычных припоев такой состав исходной пасты самопроизвольно затвердевает при небольшом нагревании (до 150 °С) и затем может служить в качестве неразъёмного соединения при температурах до 700 °C. Соединения деталей с помощью ДТК является относительно новым из используемых в современной технике методов неразъемного соединения разнородных деталей. Низкая температура соединения, широкий круг материалов, смачиваемых жидким сплавом, и высокая температура распая позволяют применить эту технологию соединения к материалам с самыми различными физико-химическими свойствами. Полученные таким способом соединения обладают удовлетворительной механической прочностью, электропроводностью и коррозионной стойкостью. Особенно перспективным представляется использование ДТК в приборостроении, радиоэлектронике, электровакуумной технике. Основные технологические свойства припоев (консистенция пасты после приготовления, время технологичности пастообразного состояния и затвердевания при выбранной температуре термообработки) зависят от состава композиции, исходного порошка, режимов термообработки, смачивания и условий подготовки поверхностей, использования технических приёмов для активации поверхности, введения ингредиента, изменяющего коэффициент термического расширения, и др. Применяя ДТК, авторы успешно решали задачи по применению таких составов для неразъёмного соединения деталей твердотельных гироскопов, оптико-волоконных линий связи, пластин солнечных батарей, стержней в пакетах термобатарей, малых вакуумных камер для опто- и микроэлектроники и др. В данной работе на нескольких примерах приведены результаты применения ДТК для неразъёмного соединения деталей в различных изделиях. Экспериментальная часть Основными требованиями к ДТК в первую очередь являются высокие эксплуатационные характеристики и приемлемые технологические свойства: простота приготовления и применения, отсутствие токсичности, невысокая стоимость компонентов и используемого оборудования. Применяемый жидкий сплав должен иметь температуру плавления не выше 50 °С и обладать достаточной смачивающей способностью, а образующиеся интерметаллические соединения (ИМС) и твёрдые растворы с порошками- наполнителями должны обладать повышенными температурами плавления. Сплавы составов, мас. %: Bi — 40; Pb — 20; In — 20; Sn — 11; Cd — 6; Ga — 3 имеют температуру плавления 40 ± 0,3 °С (авторское свидетельство СССР № 464643), а без токсичного кадмия состава: Bi — 42,0; Sn — 14,7, In — 25,5; Pb — 16; Ga — 1,8 — 47,5 °С, сплавы на основе галлия: Ga — 64,0; In — 21,5; Sn — 12,7; Zn — 1,8 имеют ещё более низкую температуру — 9,0 °C и к тому же легко переохлаждаются [1]. Эти сплавы обладают хорошей смачивающей способностью с титаном, нержавеющей сталью (Х18Н10Т), никелем, молибденом и могут использоваться в качестве жидкой матрицы с порошками металлов и сплавов. Введение в сплавы присадки редкоземельного металла улучшает смачивание прежде всего неметаллических материалов (стекла, кварца, керамики). Изучение взаимодействия этих сплавов с медным порошком (марка ПМСФ-40 с размером частиц 20-40 мкм, содержание порошка до 67 %) проводилось на образцах, которые готовили перемешиванием составов во фторопластовой ампуле в вибросмесителе (Amalgamator Z-1B, USA) при температуре ~ 50 °С в течение 25 ± 10 с до получения пастообразного состояния. Из пасты формировали образцы, которые подвергали термообработке при разных температурах и времени выдержки. Шлифы готовили по стандартной методике, травили и изучали структуру при увеличении (до *600) [2]. Микротвердость измеряли на ПТМ-3М. Коэффициент термического расширения — на дилатометре (Linseis L75/1250, USA). Матрицу ДТК готовили сплавлением исходных металлов при температуре на ~ 100 °C выше плавления наиболее тугоплавкого компонента с перемешиванием и выдержкой не менее одного часа. Образующуюся плёнку затем удаляли фильтрованием через стеклянные фильтрыШотта (диаметр пор ~ 100 мкм). Исходные образцы к соединению подготавливали («зашкуривали», травили и т. п.). Тугоплавкие металлы желательно электрохимически покрывать галлием, а керамику Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14, № 2. С. 160-166. Transactions of the Kala Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2023. Vol. 14, No. 2. P. 160-166. © Медянкина И. С., Скачков В. М., Пасечник Л. А., Сабирзянов Н. А., 2023 161