ГБОУ лицей № 000 имени Пабло Неруды

Бинарные сплавы металлов и припои на основе олова

Автор работы:

ученик 10 «В» класса

Руководитель:

педагог-организатор,

м. н.с. химического факультета

МГУ имени

Москва, 2016

Оглавление

Введение 3

Теоретическая часть 4

Экспериментальная часть 7

Обсуждение результатов 8

Выводы 9

Список литературы 10

Приложение 11

Введение

В настоящее время припои играют огромную роль в жизни любого человека, так как являются основой всей радиоэлектроники, без которой трудно представить современную жизнь. Они непременно используются в любом электрическом устройстве для обеспечения возможности связывать провода и/или другие проводники для включения их в цепь. Однако на этом их функции не исчерпываются. По определению, припой - это такой металл или сплав, который предназначен для заполнения зазоров между спаиваемыми деталями, с целью получения монолитного соединения.

Существует огромное количество припоев, различающихся по многим параметрам, необходимых для выполнения различных задач [1, 2]. Например, мягкие припои используются для сборки микросхем, и они, конечно, тоже бывают нескольких видов: легкоплавкие, тугоплавкие, средней температуры плавления. Твёрдые же нужны для скрепления некоторых деталей конструкций и проч. Различаются припои также и по химическому составу. В большинство современных входит свинец. Несмотря на все их достоинства (дешевизна, оптимальная температура плавления и т. д.), у них есть, как минимум, один серьёзный недостаток – неблагоприятное воздействие на здоровье человека. Поэтому с начала 2000х годов многие страны начинают добровольно переходить на бессвинцовые припои [3], подавляющее большинство которых основано на сплавах олова [4].

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Цель данной работы: изучить влияние добавок различных металлов (Bi, Zn и Ga) на понижение (повышение) температуры плавления олова.

Задачи:

Подобрать метод и измерить температуры плавления чистых металлов. Приготовить ряд сплавов на основе олова с различным содержанием добавок. Изучить влияние концентрации примесных металлов на температуру плавления этих сплавов.

Теоретическая часть

Сплав – вещество из двух или более металлов (и не только), получаемое путём смешивания их при плавлении. Существует огромное количество классификаций сплавов по разным признакам, критериям и параметрам. Например, сплавы делят по металлам, входящим в состав сплава (чёрные и цветные сплавы), по температуре плавления (тугоплавкие и легкоплавкие) и т. д. [1] Массовая доля металла – это отношение его абсолютной массы к массе сплава.

Припой – достаточно легкоплавкий металл или сплав металлов, предназначенный для скрепления проводов, выводов, деталей и узлов пайкой [2]. Самой важной характеристикой припоя является температура плавления, которая определяется такими параметрами как его состав и массовая доля добавки металла. Поэтому каждый припой имеет марку. Она составляется следующим образом: сначала идут, как правило, три буквы, далее через дефис число. Буквы шифруют состав, цифры – содержание главного компонента в процентах. Таким образом, припой ПОС-40 можно расшифровать: припой оловянно-свинцовый, с содержанием олова 40%.

Считается, что самым лучшим припоем является чистое олово, оно очень прочно скрепляет детали и почти не подвергается коррозии. Однако использовать чистое олово как припой очень дорого и к нему прибегают только в исключительных случаях. Поэтому при пайке используют сплавы олова. Сплавы не дают в полной мере таких свойств, как коррозийная стойкость или прочность, зато позволяют менять температуру плавления и цену на этот припой. Обычно как добавки используют такие металлы как свинец, индий, висмут, цинк, медь и даже некоторые благородные металлы как серебро и золото [3,4].

Свинцово-оловянные припои получили наибольшую популярность и применялись повсеместно не одно десятилетие благодаря достаточно низкой температуре пайки, широкой границе термопрофиля и доступности сырья. Отказ от свинца в последние годы обусловлен, в первую очередь его влиянием на здоровье человека: он воздействует на кровеносную и центральную нервную системы, а также на репродуктивную функцию, постепенно накапливаясь в пищеварительном тракте. Кроме того, многие компании стремятся извлечь выгоду из беспокойства потребителей по поводу окружающей среды и переходят на новую технологию, чтобы увеличить долю своего участия на рынке.

Температура плавления, то есть максимальная температура интервала плавления кристаллической фазы, является важнейшей характеристикой припоев. В настоящее время наиболее часто применяются следующие способы её определения:

Поляризационно-оптический метод: измеряется температура, при которой исчезает двойное лучепреломление от образца вещества, нагреваемого с регулируемой скоростью, на предметном столике поляризационного микроскопа. Дифференциально-термический метод: измеряется температура образца вещества, при которой на непрерывно регистрируемой дифференциальной термической кривой (кривой ДТА) появляется эндотермический пик плавления образца, помещенного в ячейку-держатель прибора ДТА, нагреваемого с регулируемой скоростью. Метод визуального определения: измеряется температура, при которой визуально наблюдается момент перехода образца, помещенного в прозрачном капилляре и обогреваемого с регулируемой скоростью, в расплавленное (текучее) состояние. Метод записи кривых охлаждения: испытуемые образцы нагревают выше температуры плавления, а затем регистрируют их температуру при охлаждении как функцию времени (см. рис. 1).

Последний метод представляет собой некую суперпозицию двух предыдущих и широко применялся большую часть ХХ века вследствие простоты реализации и достаточной точности результатов. Рассмотрим его несколько подробнее [5].

При постоянной температуре окружающей среды изменение температуры расплавленного чистого вещества А (кривая 1 на рис. 1) до достижения Tпл будет линейной функцией времени. При температуре плавления начинается его кристаллизация; выделяющаяся теплота уходит в окружающую среду, температура системы остается постоянной – на кривой охлаждения появляется горизонтальный участок. Когда кристаллизация заканчивается, исчезает жидкая фаза, и мы наблюдаем линейный участок на кривой охлаждения кристаллического вещества А.

При добавлении к А компонента В (кривая 2) температура кристаллизации А понижается по сравнению с чистым веществом. Верхняя часть ломаной линии 2 соответствует охлаждению расплава, появление излома связано с началом выделения кристаллов компонента А. При этом температура продолжает падать, но с меньшей скоростью вследствие выделения некоторого количества теплоты при кристаллизации. При температуре эвтектики Tэвт кристаллизация заканчивается, образуются кристаллы В. Нижняя часть ломаной 2 соответствует охлаждению гетерогенной смеси компонентов А и В.

Две кривые кристаллизации А и В пересекаются в эвтектической точке Е при Tэвт. Эвтектический состав имеет самую низкую температуру плавления (из возможных для данной системы), отличается особой структурой и механическими свойствами. Все сплавы, за исключением чистых веществ, начинают плавиться при Tэвт. При повышении температуры выше Tэвт происходят те же процессы, что и при кристаллизации, но в обратном направлении.

Линия, соответствующая температурам начала кристаллизации, называется линией ликвидуса, горизонтальная линия, соответствующая температурам окончания кристаллизации, называется линией солидуса.

Экспериментальная часть

Объектами данного исследования являлись чистые металлы – олово, висмут, цинк, галлий – и их сплавы. Приготовление последних проводили следующим образом. В корундовые тигли вносили заранее рассчитанные количества исходных металлов, после чего подвергали отжигу в высокотемпературной печи UMEGA-Snol 8.2/1100 на воздухе при 300-500°С с последующим равномерным охлаждением (без закалки). Периодически производили визуальную проверку на полноту расплавления образцов и степень гомогенности расплава. Выбор составов сплавов и определение необходимых для их получения количеств чистых металлов проводили на основе диаграмм состояния двойных металлических систем [6].

Список приготовленных сплавов:

Sn-Bi: содержание висмута 5, 20, 40, 57 (эвтектический сплав), 80, 90 масс.%; Sn-Ga: содержание галлия 10, 20, 40, 60, 70, 87.5 (эвтектический сплав) масс.%; Sn-Zn: содержание цинка 5, 9 (эвтектический сплав), 20, 30, 40 масс.%.

Температуры плавления всех образцов определяли методом регистрации кривых охлаждения. Для этого анализируемое вещество нагревали в корундовом или фарфоровом тигле до полного расплавления при помощи газовой (пропан-бутановой) горелки, затем в расплав погружали термопару, подключённую к устройству записи и обработки данных LabQuest (Vernier), и измеряли температуру образца с течением времени. После полного застывания проводили аналогичный эксперимент на нагревание. Все опыты повторяли не менее трёх раз.

Обсуждение результатов

Были рассмотрены все указанные выше металлические системы (см. список приготовленных сплавов). Каждая из них по-своему выделялась. Сплавы с галлием имели медленную кинетику, проще говоря долго затвердевали. При этом сплавы с большим содержанием галлия имеют температуру плавления около 20 градусов по Цельсию, следовательно находятся в жидком состоянии при комнатной температуре. В следствие чего возникло затруднение с фиксацией кривых охлаждения, поэтому фиксировались кривые нагревания.

В подавляющем большинстве сплавов наблюдалось явление переохлаждения – система находилась в жидкой фазе при температуре несколько ниже температуры плавления, однако температура поднималась за счёт внутренней энергии, и начиналась кристаллизация.

Большая часть (четыре из пяти) сплавов, содержащих цинк окислились в печи кислородом воздуха, что несомненно повлияло на результаты эксперимента (возможны более низкие значения солидусов по сравнению с литературными данными).

Выводы

Бинарные сплавы олова с галлием абсолютно точно не могут быть припоями, т. к. имеют температуру плавления около 20 градусов Цельсия, поэтому этот припой расплавится вследствие теплового действия электрического тока. Как припой можно использовать сплав олова и висмута эвтектического состава (57% висмута по массе) Сплавы олова с цинком являются химически активными, сплавы окислились ещё во время их приготовления, пришлось переделать. Галлий и висмут сильно понижают температуру плавления сплава, что неудивительно для галлия(температура плавления чистого галлия – 29,7 градусов Цельсия), но удивительно для висмута, ведь температура плавления чистого висмута на 50 градусов выше температуры плавления чистого олова. Добавка цинка повышает температуру плавления олова.

Список литературы

ГОСТ 19248-90 «Припои. Классификаци и обозначение» Металлы и сварка (лекционный курс). Учебное пособие. / Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2001. – 138 с. Архипов, пайки компонентов с бессвинцовыми покрытиями [Электронный ресурс] : комплекс тестовых материалов для интерактивного обучения / Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. (нац. исслед. ун-т). – сост. , , Электрон. текстовые и граф. дан. (0,22 Мбайт). - Самара, 2011. - 1 эл. опт. диск (CD-ROM). ессвинцовая технология – требование времени или прихоть законодателей от экологии? [Электронный ресурс] / Электронные компоненты – 2001 – №6 – режим доступа: http://www. contractelectronica. ru/articles/14-articles/bessvintsovye-tekhnologii/100-bessvintsovaya-tekhnologiya-trebovanie-vremeni-ili-prikhot-ekologov, свободный Основы общей химии. Том 2. – М.: Химия, 1973. – 688 с. Диаграммы состояния двойных металлических систем. В 3-х томах. / Под общ. ред. . — М.: Машиностроение, 1996-2000.