Вопросы для самопроверки

1. Приведите основные физико-механические свойства меди.

2. Как влияют примеси на свойства меди?

3. В чем различие между медью марок МТ и ММ?

4. Как маркируется медь в зависимости от содержания примесей? Где применяется медь М1 и МО?

5. Какую структуру имеет латунь при содержании 30 % Zn и 40 % Zn? Как изменяются свойства латуней с изменением содержания цинка?

6. Приведите основные марки однофазных и двухфазных латуней? Для изготовления каких деталей РЭС они используются?

7. Перечислите основные свойства бронз?

8. Как влияет олово на структуру и механические свойства бронз?

9. Какие вы знаете безоловянные бронзы? Укажите их марки (состав), свойства и применение в РЭС?

10. Какие марки бронз применяются для изготовления пружин?

11. Какую термическую обработку проходят бериллиевые бронзы при изготовлении пружин?

6. Материалы упругих элементов

К упругим элементам относятся детали, которые деформируются под действием силовой нагрузки, а после снятия ее восстанавливают свою первоначальную форму и размеры. В устройствах РЭС в качестве упругих элементов используют винтовые цилиндрические, спиральные и плоские пружины, пружинные разъемы. Они применяются в амортизаторах, переключателях, в различных контактных устройствах, где обеспечивается замыкание контактов и необходимое контактное давление.

Материалы, применяемые для изготовления упругих элементов должны иметь определенные характерные для всех конструкционных материалов, свойства – высокую прочность в условиях стабильных, динамических и циклических нагрузках; достаточную пластичность и вязкость, а также высокое сопротивление разрушению. Высокое сопротивление малым пластическим деформациям как в условиях кратковременного (предел упругости), так и в условиях длительного (релаксационная стойкость) нагружения. Высокое сопротивление малым пластическим деформациям должно сохраняться от действия внешних условий: температуры, коррозионной активности окружающей среды. Кроме того во многих случаях упругие материалы должны иметь высокую электропроводность (пружины контактов). Эксплуатационные возможности материала пружин выявляются через упругую характеристику, представляющую зависимость линейной или угловой деформации от прикладываемой силы, циклическую прочность и коррозионную стойкость.

Пружинные материалы классифицируются по виду упрочнения и по назначению: пружинные сплавы общего назначения и пружинные сплавы специального назначения.

Пружинные сплавы общего назначения. Эти сплавы в первую очередь должны обладать высокими пределами прочности, упругости, выносливости, релаксационной стойкостью и сопротивлением разрушению. К ним относятся преимущественно углеродистые и легированные стали. В этих сталях содержится повышенное содержание углерода (0,4-1,2%), что и определяет высокую степень их упрочнения в результате пластической деформации мартенситного превращения при закалке.

Для изготовления пружин малого диаметра, работающих при температуре не выше 100 С могут применяться качественные углеродистые стали 65, 70, 75, 80, 85 и инструментальные стали У9А, У10А, У11А, У12А. Но эти стали отличаются низкой коррозионной стойкостью, достаточно высоким температурным коэффициентом модуля упругости и сниженной релаксационной стойкостью даже при небольшом нагреве. При закалке наблюдается значительная деформация, что приводит к изменению размеров пружин.

Более высокой релаксационной стойкостью, стабильностью характеристик во времени обладают низко – легированные пружинные стали общего назначения 60Г, 65Г, 50ХФА, 51ХФА, 60С2А, 65С2ВА.

Из этих сталей заготовки подвергают отжигу, а затем после формообразования упругих элементов осуществляют упрочняющую термообработку – закалку (при температуре 800-900 С) с охлаждением в масле и отпуск (при температуре 400-500 С).

В результате пружинная сталь приобретает высокую механическую прочность, релаксационную стойкость и стабильность характеристик во времени.

Пружинные сплавы специального назначения. Сплавы этого класса разделяются на коррозионно-стойкие, немагнитные, с низким температурным коэффициентом модуля упругости, с высокой электропроводностью.

Коррозийно-стойкие сплавы, в основном стали марка 30Х13, 40Х13, применяют для изготовления упругих элементов в устройствах, работающих во влажной, морской, слабоокисляющих средах и при повышенной температуре. Высокие эксплутационные характеристики пружины приобретают после закалки (1000-1050 С ) и отпуска (300-350 С ).

Немагнитные упругие элементы изготавливают из аустенитных, хромоникелевых сталей 08Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 36НХТ10 и др., обладающих еще и высокой коррозионной стойкостью.

В закаленном аустенитном состоянии эти сплавы высокопластичны, а после формовки упругих элементов и последующего отпуска (обычно при Т=450 С ) приобретают высокую упругость. Для упругих элементов малых сечений и простой формы, но с высокой прочностью и высоким сопротивлением усталости применяют сплавы на Co – Ni – Cr – основе (40КХНМ).

Для упругих элементов, не изменяющих свои размеры при нагреве до 200 С, применяют сплавы с низким температурным коэффициентом модуля упругости 36НХТ10М5, 42НХТ10, 44НХТ10, приобретающие высокие упругие свойства после термической и термомагнитной обработки. Но эти сплавы ферромагнитные.

К пружинным сплавам с высокой электропроводностью относятся сплавы на основе меди, бронзы и латуни. Бронзы и латуни приобретают высокие упругие свойства в результате применения холодной пластической деформации и последующего дорекристаллизационного отжига. В процессе холодной пластической деформации резко возрастает упрочнение сплавов, но при этом снижается пластичность. После пластической деформации из этих сплавов можно изготовлять плоские пружины методом вырубки из полуфабрикатов и витые пружины из проволоки. Затем пружины подвергают дорекристаллизационному отжигу по определенному температурному и временному режиму, в результате чего сильно возрастают предел упругости, релаксационная стойкость и сопротивление усталости. Предел упругости пружинных сплавов на основе меди меньше чем в сталях, но благодаря меньшему модулю упругости (меньше почти в 1,52 раза) они характеризуются большей упругой деформацией (_упр = _упр / Е), которая может быть достигнута в упругих элементах. К этому классу пружинных материалов относятся оловянистые бронзы БрОЦ4-3, БрОФ6,5-0,15, обладающие хорошими стабильными механическими и высокими антикоррозийными свойствами. Они поставляются в виде полос, лент толщиной 0,1-2 мм и проволоки толщиной 0,2-2 мм, из которых изготовляются плоские и витые круглые пружины и пружинные контакты для разъемов. Бронзы безоловянистые БрА7, БрКМц3-1 (алюминиевая и кремнемарганцевая) по упругим свойствам превосходят оловянистые бронзы, более стойки в атмосфере повышенной влажности и морской атмосфере, но имеют невысокую электропроводность.

Латуни марок Л68, Л80, Л85 по упругим параметрам антикоррозионной стойкости уступают бронзам, но имеют более высокую электропроводность. Они применяются для изготовления упругих элементов, работающих при воздействии относительно невысоких напряжений в обычных климатических условиях.

Из большого количества пружинных сплавов на основе меди наилучшими упругими характеристиками обладают берилиевые бронзы (БрБ2, БрБ2,5, БрБНТ1,9), т.е. медноберилиевы сплавы с содержанием 0,7-2,5 % Ве, с легирующими элементами – никель, кобальт, титан и др. Наряду с высокими значениями предела упругости и релаксационной стойкости они коррозионностойки, , имеют высокую электропроводность и технологичны в изготовлении (хорошо штампуются, паяются, свариваются). Недостатком берилиевой бронзы является высокая стоимость и трудность получения сплава.

Высокие упругие свойства и релаксационная стойкость в этих бронзах достигается в результате технологического цикла – закалки (мягкое пластическое состояние), холодной пластической деформации и ступенчатого температурного старения. Закалка производится при температуре около 700 С, а ступенчатое старение при нагреве.

В таблице 6.1 приведены физико-механические свойства некоторых проводящих пружинных сплавов на основе меди в максимально упрочненном состоянии.

Таблица 6.1

Физико-механические свойства пружинных сплавов на основе меди

Свойства	БрБ2	Л85	БрОЦ4-3	БрОФ6,5-1,5	БрА7
1	2	3	4	5	6
в, МПа	1150-1600	510-570	490-590	700-920	970
, 	1,5	2-5	2	2	2-10
Твердость ТV	360	164	230	210	269
0,005 (условный предел упругости), МПа	900-1150	445	535	450-550	425
Е, ГПа	120-130	102	121	100-110	102
Релаксация нпря-жения (о-)/о; % в течении 20 лет	2,01	13	5,6	8,4	6,2
, Омм10-8	7	5,5	8,7	15	13

_о- начальное напряжение на релаксационную стойкость

1 – релаксация напряжения приведена при испытании за 100 ч при температуре 100С

7. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ

Вольфрам – металл светлосерого цвета, самый тугоплавкий и один из самых тяжелых, имеющий объемно-центированную кубическую решетку с постоянной решетки 0,3159 нм. Вольфрам получают в виде порошка путем сложной технологии из вольфрамовых руд (вольфрамита). Из порошка при давлении до 200 Мпа методом прессования изготавливают стержни, а затем после сложной термической обработки, ковки и волочения получают проволоку диаметром до 0,1 мм, при прокатке – тонкие листы.

Для вольфрама характерна слабая механическая связь между отдельными зернами, поэтому изделия, обладающие мелкозернистым строением, хрупки и легко ломаются. Только в результате механической обработки ковкой и влочением вольфрам приобретает волокнистую структуру, которая обеспечивает высокую механическую прочность и гибкость тянутого вольфрама.

При нагревании тянутого вольфрама до высоких температур в результате рекристаллизации волокнистая структура постепенно исчезает и образуются укрупненные зерна, что приводит к увеличению хрупкости. Для предотвращения этого процесса в чистый вольфрам вводят различные присадки, например, окись тория Th₂O₃.

Вольфрам является одним из важнейших материалов электровакуумной техники. Благодаря малому коэффициенту термического расширения вольфрам применяется при изготовлении термически согласованных спаев с тугоплавкими стеклами. Из с тугоплавкими стеклами. Из него изготовляют нагреватели для испарения веществ в вакуумной технологии. В качестве нагревателей применяется только в вакууме или в среде инертного газа, так как при нагревании до нескольких сот градусов в присутствии кислорода он сильно окисляется.

Молибден – металл являющийся аналогом вольфрама и имеет похожие свойства, но с более низкой температурой плавлении (2620 ^оС). По технологии изготовления он близок к вольфраму; микроструктуре спеченого, кованного и тянутого молибдена также сходна со структурой аналогично обработанных образцов вольфрама. Между ними есть и различие. Так, вольфрам в рекристаллизованном состоянии при комнатной температуре очень хрупок, а отожженный мелкозернистый молибден характеризуется высокой пластичностью. Благодаря этому изготовление заготовок из него механической обработкой не представляет затруднений. Для улучшения структуры и повышения прочности в молибден вводят присадки (окись тория, окись кремния и т.д.). При нагревании до 300 ^оС молибден начинает окисляться с образованием низких окислов, а при нагреве выше 600 ^оС образуется трехокись молибдена (МоО₃), которая быстро испаряется при нагреве выше 700 ^оС. Вследствие этого нагревательные элементы или нагреваемые из молибдена должны работать в вакууме или в восстановительной среде.

Высокая прочность и пластичность в сочетании с низким удельным сопротивлением ( = 5,5 10^-8 Ом м) позволяет применять молибден для изготовления деталей сложной конфигурации, работающих при высоких температурах. Молибден широко применяется для изготовления электродов в электронных лампах, в качестве испарителей в вакуумной технологии, согласованных вакуумных вводов в баллоны из тугоплавких стекол.

Некоторые физико-механические свойства молибдена приведены в табл.7.1.

Тантал – металл, получаемый из руды танталита (Fe(TaO₃)₂) методами порошковой металлургии подобно вольфраму и молибдену, но спекание спрессованных штабиков или пластин осуществляется в вакууме, так как на воздухе он склонен к поглощению газов. Благодаря высокой пластичности тантала механические операции ковки и протяжки производят на воздухе в холодном состоянии без промежуточных отжигов. Тантал изготавливают в виде прутков, проволоки, диаметром до 0,03 мм, лент и фольги толщиной до 10 мкм. Некоторые физико-механические свойства тантала приведены в табл.7.1

Способность предварительно обезгаженного тантала поглощать газы в в диапазоне температуры 600-1200 ^оС в сочетании с высокой пластичностью, тугоплавкостью, свойством легко свариваться с вольфрамом и молибденом делают этот металл весьма ценным для применения в электровакуумной технике. Тантал широко используется в вакуумной технике в качестве испарителей при получении тонких пленок из различных материалов. Тантал образует однородные тонкие пленки пятиокиси Ta₂O₅ при анодировании в водных растворах любого электролита. Благодаря высокой диэлектрической прочности окисной пленки ( = 25) тантал широко используется при производстве электролитических и тонкопленочных конденсаторов.

Некоторые физико-механические свойства тантала приведены в табл.7.1.

Хром – твердый, тугоплавкий металл (Т_пл = 1900 ^оС) серостального цвета, обладающий высокой стойкостью к окислению. Является весьма распространенным элементом в виде кислородосодержащих соединений. В различных химических соединениях хром проявляет валентность +2, +3, +6; среди них наиболее устойчивы соединения трехвалентного хрома. Металлический хром получают термическим восстановлением Cr₂O₃ алюминием, кремнием или электролитическим восстановлением растворов соединений хрома.

Хром входит в состав большого количества сплавов для нагревательных приборов (нихром), термопар, конструкционных жаропрочных и нержавеющих сталей. Высокая стойкость к окислению и высокая прочность хрома используется для защитных покрытий изделий и повышения механической прочности поверхности и деталей, например штампов. Хромирование производится электролитически или с помощью насыщения хромом поверхностных слоев стальных изделий посредством диффузии из внешней среды. Хром обладает хорошей адгезией к стеклянным, ситалловым и керамическим подложкам, поэтому его часто применяют в качестве адгезионных подслоев для контактных площадок и токопроводящих пленок в интегральных микросхемах. Тонкие пленки хрома используются в качестве резистивных элементов в микросхемах, а также светопроницаемых слоях фотошаблонов. Тонкие пленки хрома осаждают методами вакуумной конденсации при температуре 1200 – 1300 ^оС с использованием вольфрамовых или молибденовых испарителей. Свойства хрома даны в табл.7.1.

Таблица 7.1.

Физико-механические свойства вольфрама, молибдена, тантала

Свойства	Вольфрам	Молибден	Тантал	Хром
1	2	3	4	5
Плотность, кг/м3 10-3	19,3	10,3	17,0	7,19
Температура плавления, оС	3382	2620	2990	1900
Температура кипения, оС	5527	4830	5330	-
Температурный коэффициент линейного расширения, е 10-6, оС-1	4,4	5,3	6,4	6,2
Удельное сопротивление отож-женной проволоки,  108, Ом м	5,5.10	7,8.10	12,4.10	13.10
Коэффиц. теплопроводности, Вт/м к	167	158	54	88,6
Прочность в, МПа	1800-4000	1400-2500	900-1250	-
Относит. удлинение проволоки , % неотожженной отожженной монокристаллической	1-4 - 20	2-5 10-25 -	1,5-5 10-5 -	- - -
Модуль упругости Е, МПа	(90-340) 103	(280-300) 103	190 103	245 103

Ковар (29 НК) – сплав, содержащий 29 % никеля, 18 % кобальта и остальное железо с небольшими примесями марганца, кремния и углерода. Коэффициент термического линейного расширения ковара составляет около 4,4 10^{-6 о}С. При нагревании на поверхности ковара образуется тонкая, плотная и прочная пленка оксидов, которая хорошо растворяется в стекле и обеспечивает надежное вакуумное соединение сплава со стеклом. В диапазоне температур от комнатной до 980 ^оС структура ковара – аустенит, поэтому этот сплав не обладает магнитными свойствами. Он хорошо травится в разбавленных азотной и соляной кислотах, хорошо паяется низко- и высокотемпературными припоями, изделия из ковара свариваются электроконтактной и лазерной сваркой. Ковар имеет следующие физико-механические свойства:

плотность, кг/м³ -- 8,3 10³,

температура плавления, ^оС – 1450,

температурный коэффициент

линейного расширения при 20-300 ^оС _е ^оС^-1 - (4,5-5,5) 10^-6,

коэффициент теплопроводности при 20 ^оС Вт/м к - 19,

прочность _в, МПа - 650,

относительное удлинение , % - 35

удельное сопротивление , Ом м - 4,9 10^-8.

Ковар выпускается в виде лент и полос толщиной 0,1-4 мм, проволок 0,2-3,0 мм. Методом холодной листовой штамповки из ковара можно получать полые изделия сложной формы.

Ковар широко применяется для изготовления выводов и корпусов электронных вакуумных приборов, в частности корпусов гибридных интегральных схем. Из-за дефицитности этого сплава его по возможности заменяют более дешевыми железоникелевыми сплавами, например Н-42, Н-47 (42 и 47 % Ni, а остальное Fe соответственно), имеющими приближенно такой же коэффициент термического расширения как и у ковара, но с большим удельным сопротивлением (~ 8 10^{-6 о}С^-1).

Инвар (Н-36) – это сплав железа с примерно 36 % никеля. Инвар обладает очень малым коэффициентом термического расширения - _е = 1,5 10^{-6 о}С^-1 в диапазоне температур –100 - +100 ^оС; удельное электрическое сопротивление составляет 8,3 10^-6 Ом м. Этот сплав применяется для изготовления деталей со стабильными размерами от температуры, в частности для приготовления пластин конденсаторов переменной емкости, если требуется очень малый температурный коэффициент емкости.

8. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

8.1. Общие положения. Классификация видов термической обработки

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их свойств. От температуры нагрева металла и скорости его охлаждения зависят структуры и свойства металла, а следовательно, и свойства изделия.

Основные виды термической обработки - отжиг, закалка, отпуск и старение.

Отжиг- термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной. Отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождается повышением пластичности и снятием остаточных напряжений. Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига. Скорость охлаждения от температуры отжига обычно невелика и лежит в пределах 50-300 °С/ч.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесную структуру при закалке можно получить только в том случае, когда в сплавах существуют превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др.

Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового перехода, после чего его быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Закалка применяется для упрочнения сплавов (конструкционные и инструментальные стали), для получения структурно-чувствительных физических или химических свойств в сплавах о особыми свойствами: увеличение удельного электрического сопротивления или коэрцитивной силы, повышение коррозионной стойкости и др. Если в результате закалки при температуре 20-25 °С фиксируется состояние высокотемпературного твердого раствора (в сплавах Al - Cu), то упрочнение сплавов непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создается при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 20-25 °С.

Отпуск и старение - термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (прочности, твердости, коэрцитивной силы и др.) по сравнению с отожженным состоянием. Температуру и выдержку при отпуске выбирают такими, чтобы равновесное состояние сплава не достигалось, как это происходит при отжиге. Термин "отпуск" используют обычно применительно к сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение (стали, двухфазные алюминиевые бронзы, некоторые сплавы титана). Термин "старение" - применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения (сплавы на основе алюминия, аустенитные стали, никелевые сплавы и др.).

8.2. Отжиг металлов

Существуют два вида отжига: отжиг первого рода и отжиг второго рода.

Отжиг первого рода в зависимости от исходного состояния сплава и температуры его выполнения может включать процессы снятия остаточных напряжений, рекристаллизации и гомогенизации в полуфабрикатах и изделиях. Характерной особенностью отжига первого рода является то, что приведенные процессы происходят независимо от того протекают ли в сплаве при этой обработке фазовые превращения или нет.

Этот вид обработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную предшествующим различным видам обработки (ковкой, штамповкой, резанием, сваркой и т.д.). Состояние сплава после теплового воздействия становится более равновесным.

Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют после проката или ковки, после изготовления деталей холодной штамповкой, сваркой и т.д. Остаточные напряжения, возникающие в указанных случаях нежелательны и могут вызвать деформацию деталей при последующей обработке или в процессе эксплуатации, а суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, привести к разрушению конструкций.

В стальных деталях снижение остаточных напряжений происходит в процессе выдержки при температурах в пределах 350-600 °С. Время выдержки составляет несколько часов и зависит от массы изделия.

В деталях из сплавов на основе меди и алюминия снижение остаточных напряжений происходит при меньших температурах. Например, в холоднодеформированных деталях из латуни остаточные напряжения практически полностью снимаются в процессе отжига при 250-300 °С.