научная статья по теме МИКРОСТРУКТУРА КОНТАКТНЫХ ПРОСЛОЕК, ОБРАЗОВАВШИХСЯ ПРИ КОНТАКТНОМ ПЛАВЛЕНИИ МЕДИ С АЛЮМИНИЕМ Физика

Текст научной статьи на тему «МИКРОСТРУКТУРА КОНТАКТНЫХ ПРОСЛОЕК, ОБРАЗОВАВШИХСЯ ПРИ КОНТАКТНОМ ПЛАВЛЕНИИ МЕДИ С АЛЮМИНИЕМ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 7, с. 109-112

МИКРОСТРУКТУРА КОНТАКТНЫХ ПРОСЛОЕК, ОБРАЗОВАВШИХСЯ ПРИ КОНТАКТНОМ ПЛАВЛЕНИИ МЕДИ С АЛЮМИНИЕМ

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (ГТУ), 362021, РСО-Алания, Владикавказ, Россия E-mail: pkorotkov1984@rambler.ru 2Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова,

360004 Нальчик, Россия E-mail: sozaevv@kbsu.ru 3Карачаево-Черкесский государственный университет, 369202, КЧР, Карачаевск, Россия

E-mail: lamur80@mail.ru Поступила в редакцию 03.12.2013 г.

В нестационарно-диффузионном режиме проведено контактное плавление меди с алюминием при температуре 570° С. На сколах образовавшейся контактной прослойки были обнаружены сферические фрагменты фазы размером 10—15 мкм, предположительно CuAl2, и выделения пластинчатой фазы длиной 70—200 мкм и шириной 10 мкм.

Знание закономерностей контактного плавления металлов позволяет управлять процессом контактного плавления [1], что важно для оптимизации технологий контактно-реактивной пайки, металлизации керамик и полупроводников, создания биметаллов и получения новых композиционных материалов методом жидкофазного спекания. Несмотря на большой объем исследований по фазовым превращениям в контакте разнородных металлов [2, 3] пока недостаточно данных по высокотемпературному контактному плавлению металлов.

Прежние исследования касались контактного плавления легкоплавких металлов. Это связано с тем, что опыты проводились в термостатах с кремнийорганическим маслом при температуре менее 300°С [4—6]. Подобное контактное плавление условно можно назвать низкотемпературным. Многие практически важные металлы являются тугоплавкими, поэтому контактное плавление с их участием можно осуществить только при высоких температурах в вакууме или в защитной газовой атмосфере. Причем особый интерес вызывает контактное плавление меди с алюминием [7, 8]. Подобное контактное плавление будем называть высокотемпературным. Изучение контактного плавления в системе медь—алюминий проводилось в работах [9, 10]. В работе [9] проведено диффузионное соединение меди с алюминием при температуре 545 ± 2°С, которая ниже эв-

тектической температуры на 2—3°С. При этом жидкость в зоне контакта не появляется и происходит рост промежуточных фаз за счет диффузии в твердой фазе. На металлографических шлифах четко проявляются две прослойки, общая толщина которых при времени контакта 15 мин составляет порядка 0.035—0.040 мм. Автор полагает, что это фазы П2 и 9 на основе соединений СиА1 и СиА12. Со стороны А1 а-твердые растворы, образующиеся за счет диффузии Си в А1, выявить не удалось, возможно, ввиду малости толщины. Оценки коэффициентов диффузии в [9] дали значения примерно на порядок выше, чем аналогичные данные, полученные при более низкой температуре 450—500°С в работах [10-14].

В работе [9] также осуществлено контактное плавление при температурах 600-640°С, при этом обнаружено образование 9-фазы, а также фазы п2 при кристаллизации контактной прослойки, которая образуется за счет диффузии А1 из жидкости в твердую фазу.

Следует отметить, что контактные прослойки в работе [9] изучались на оптическом микроскопе при увеличении в 20 раз. Поэтому некоторые особенности микроструктуры могли быть не обнаружены. В настоящей работе предпринимается попытка изучения контактных прослоек, образовавшихся при контактном плавлении меди и алюминия, с помощью электронного микроскопа.

Al ¡ДЦ f^j ч •V. N щ§ 11|1 Cu

Рис. 1. Схема получения контактной прослойки системы Си—А1. Пунктиром обозначена линия скола контактной прослойки.

Рис. 2. Микрофотография границы раздела двух разнородных фаз в контактной прослойке Al—Cu. Увеличение х560 раз.

Для получения исследуемого образца брались два цилиндрических стержня из чистых металлов: меди и алюминия, диаметром 2 мм, приводились в контакт, помещались в вакуум и нагревались. Контактное плавление проводилось в вакууме 10-5 мм рт. ст. до температуры 570°С (выше температуры эвтектики системы Cu—Al на 22°C [15]) в течение 0.5 часа. Ширина полученной контактной прослойки составляла 0.3 мм, и прослойка оказалась довольно хрупкой.

На рис. 1 показана схема сплавления двух цилиндрических стержней, где цифрами обозначены исследуемые зоны: 1 — чистый алюминий; 2 — область контактной прослойки, которая находится около чистого алюминия; 3 — область контактной прослойки около чистой меди; 4 — чистая медь. Пунктирная линия (рис. 1) показывает направление скола образца, который был произведен для изучения структуры и морфологии поверхности контактной прослойки с помощью электронного растрового микроскопа Phenom при увеличении от 500 до 15000 раз. Исследование образца проводилось в направлении от чистого металла Al к контактной прослойке и далее к меди.

На рис. 2 показана переходная зона (2, 3) в середине исследуемой контактной прослойки системы Al—Cu, где четко просматривается граница раздела с двумя различными структурами твердого раствора Al—Cu.

На рис. 3а, б, в показаны изображения контактной области (при разных увеличениях), которая находится с левой стороны от границы разде-

Рис. 3. Микрофотографии области с зернами при разном увеличении: х2050 (а); х5600 (б); х13 000 (в).

МИКРОСТРУКТУРА КОНТАКТНЫХ ПРОСЛОЕК

Рис. 4. Микрофотография зоны на контактной прослойке Al—Cu с линейчатой структурой при разном увеличении: х900 (а); х7600 (б).

ла (область 2 на рис. 1 и 2), ближе к чистому алюминию. На рис. 3б, в, показанных с большим увеличением, видно, что в данной области контактной прослойки образуются микроскопические выделения фазы, вероятно CuAl2, близкие по форме к сферической. На рис. 3в отчетливо видно, что образовавшиеся фазы имеют поликристалли-

Рис. 5. Микрофотография контактной прослойки системы Al—Cu, полученная с помощью микроскопа Phenom при увеличении х2150.

ческую структуру, размер фазовых выделений составляет примерно от 10 до 14 мкм, а диаметр зерен порядка 1—2 мкм.

На рис. 4а, б приведены изображения контактной прослойки, с правой стороны от границы раздела, которая находится ближе к чистой меди (область 3 на рис. 1 и 2). Здесь наблюдаются стержнеобразные зерна чистого алюминия, имеющие четкие границы раздела. Длина микростержней варьируется от 50 до 200 мкм, их ширина составляет не более 10 мкм.

Для определения скорости КП системы Cu—Al брались цилиндрические образцы меди и алюминия диаметром 5 мм. Образцы шлифовались, приводились в контакт и помещались в печь, находящуюся в вакуумной камере. Температура поднималась до эвтектической, для данной системы равной 548°С, и образец выдерживался в течение 20 мин, после чего он охлаждался. Затем изготавливался шлиф контактной прослойки, он полировался и промывался дистиллированной водой. Полученный образец изучался на растровом электронном микроскопе Phenom.

На рис. 5 показано изображение шлифа с увеличением в 2150 раз, на котором хорошо видно образование контактной прослойки, имеющей среднюю ширину размером 12.8 мкм. Зная ширину контактной прослойки и время, можно рассчитать скорость контактного плавления по

формуле (v) = (8)Д которая оказалась равной 1.42 х 10-8 м/с.

Проведено контактное плавление меди с алюминием в нестационарно-диффузионном режиме.

На сколах контактных прослоек, которые были ближе к алюминию, обнаружены фрагменты выделений сферических фаз, а на участках сколов, расположенных ближе к меди, наблюдались пластинчатые выделения.

Проведена оценка скорости контактного плавления, которая оказалась равной 1.42 х 10-8 м/с.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 13-02-00079-а).

1. Ахкубеков А.А., Орквасов Т.А., Созаев В.А. Контактное плавление металлов и наноструктур на их основе. М.: Физматлит, 2008. 152 с.

2. Гуров К.П., Карташкин Б.А., Угасте Ю.Э. Взаимная диффузия в многофазных металлических системах. М.: Наука, 1981. 352 с.

3. Белашенко Д.К. Явления переноса в жидких металлах и полупроводниках. М.: Атомиздат, 1970. 400 с.

4. Далакова Н.В., Орквасов Т.А., Созаев В.А., Ши-дов Х.Т. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2007. № 11. С. 109.

5. Далакова Н.В., Карданова М.С., Орквасов Т.А., Созаев В.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2009. № 7. С. 106.

6. Далакова Н.В., Елекоева К.М., Орквасов Т.А., Созаев В.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2010. № 12. С. 88.

7. Сергеев И.Н., Кумыков В.К., Созаев В.А., Шебзухо-ва М.А. // Изв. РАН. Сер. физ. 2008. Т. 72. № 10. С. 1464.

8. Кашежев А.З., Понежев М.Х., Созаев В.А. // Изв. РАН. Сер. физ. 2010. Т. 74. № 8. С. 1236.

9. Темукуев И.М. // Вестн. КБГУ. Сер. Физ. науки. Нальчик: КБГУ, 2000. Вып. 5. С. 21.

10. Huet J.J. // Metallurgie. 1962. V. III. № 3. P. 49.

11. Funamizu Y., Watanabe K. // Trans. Jap. Inst. Metals. 1971. V. 12. P. 147.

12. Пименов В.Н., Акушкарова К.А., Угасте Ю.Э. // ФММ. 1975. Т. 39. № 4. C. 821.

13. Funamizu Y., Watanabe K. // Trans. Jap. Inst. Metals. 1974. V 15. № 1. P. 46.

14. Лариков Л.Н., Рябов В.Р., Фальченко В.М. Диффузионные процессы в твердой фазе при сварке. М.: Машиностроение, 1975. 250 с.

15. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. М.: Машиностроение, 1996. Т. 1. 992 с.

Сдано в набор 19.02.2014 г. Подписано к печати 30.05.2014 г. Дата выхода в свет 25 еж. Формат 60 X 881Д Цифровая печать Усл. печ. л. 14.0 Усл. кр.-отт. 2.2 тыс. Уч.-изд. л. 14.0 Бум. л. 7.0

Тираж 155 экз. Зак. 332 Цена свободная

Учредители: Российская академия наук, Институт физики твердого тела РАН

Издатель: Российская академия наук. Издательство "Наука", 117997, Москва, Профсоюзная ул., 90 Оригинал-макет подготовлен МАИК "Наука/Интерпериодика" Отпечатано в ППП «Типография "Наука"», 121099 Москва, Шубинс

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Пoхожие научные работы по теме «Физика»

КАМБОЛОВ Д.А., КАШЕЖЕВ А.З., КОРОТКОВ П.К., КУТУЕВ Р.А., МАНУКЯНЦ А.Р., ПОНЕЖЕВ М.Х., СОЗАЕВ В.А. — 2015 г.

ДАЛАКОВА Н.В., ЕЛЕКОЕВА К.М., КАШЕЖЕВ А.З., МАНУКЯНЦ А.Р., ПОНЕЖЕВ М.Х., ПРОХОРЕНКО А.Д., СОЗАЕВ В.А. — 2014 г.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎