книги из ГПНТБ / Эскин, Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию

создать в расплаве вынужденную конвекцию, разру­ шить пограничный слой и ускорить диффузию. Это и выполняют ультразвуковые колебания, возбужденные в расплаве.

Влияние ультразвука сказывается сразу же при сма­ чивании металлизируемого тела. По опытным данным, поверхностное натяжение на границе расплав—изделие при 'воздействии ультразвука может уменьшаться в 2—3 раза. Очевидно, интенсивное движение жидкого металла, вызываемое и звуковым, и радиационным давлениями, способствует растеканию расплава и хорошему молеку­ лярному контакту.

После того как устанавливается молекулярный кон­ такт на поверхности раздела жидкой и твердой фаз, на­ чинается диффузия. Опыты показали, что ультразвуко­ вые колебания увеличивают кинетическую энергию ато­ мов диффундирующего элемента и, образуя микропото­ ки, уменьшают толщину диффузионного пограничного слоя.

Можно также предполагать, что и следующая стадия образования покрытия— образование химической связи между материалом покрытия и основой — существенно облегчается при наличии переменного звукового давле­ ния, достигающего значений в несколько десятков ат­ мосфер.

Вполне вероятно, что в кавитационном режиме имеет место частичная эрозия образующегося химического со­ единения и к поверхности покрываемого изделия получа­ ют доступ все новые и новые порции металлизирующего расплава; это приводит к росту концентрационного гра­ диента диффундирующего вещества и к увеличению ско­ рости диффузии в твердой фазе.

Случай II (рис. 66,6): поверхность металлической

150

основы покрыта плотным слоем опасной пленки, препят­ ствующей диффузии атомов металла покрытия.

Этот случай характерен для процесса металлизации алюминия и его сплавов, а также встречается в произ­ водстве изделий из алюминиевых сплавов методом пай­ ки мягкими припоями.

Металлизация в этом случае может быть осуществле­ на лишь в условиях, приводящих к разрушению окисной пленки. Использование интенсивного ультразвука в кавитационном режиме позволяет обойтись без приме­ нения растравливающих флюсов, так как кавитационная эрозия окисной пленки обеспечивает равномерное смачи­ вание поверхности алюминия жидким металлическим по­ крытием.

Таким образом, отличительной особенностью этого случая является необходимость развития кавитации для разрушения окисной пленки; дальнейшее протекание про­ цесса металлизации аналогичные рассмотренному выше.

Случай III (рис. 66,8): здесь имеет место различие в

Такой случай характерен для металлизации целого ря­ да керамических изделий электронной и полупроводни­ ковой техники, например покрытие полупроводников оло­

что в тонком поверхностном слое керамики содержится большое количество микронеровностей, трещинок, щелей

151

оснований, поэтому единственно возможным механиз­ мом металлизации в этом случае является осуществле­ ние молекулярного контакта (смачивания) вследствие активации капиллярных сил в ультразвуковом поле. В качестве объяснения этого явления называют две причи­ ны: очистку поверхности неметаллов от загрязнений (ка­ витационное разрушение адсорбционных пленок, препят­ ствующих смачиванию) и изменение поверхностных сил на границе фаз за счет ультразвукового воздействия.

Дефектная структура поверхности керамики создает капиллярные ограничения. При отсутствии смачивания поверхностное натяжение создает в капилляре противо­ действующее затекающей жидкости давление, величину которого легко подсчитать: например, для заполнения капилляра радиусом 1 мкм нужно приложить давление свыше 100 ат.

При смачивании поверхности, что имеет место при воздействии ультразвука, давление, обусловленное действием сил поверхностного натяжения, будет способ­ ствовать затеканию расплава в капилляры за счет изме­ нения краевого угла смачивания.

Однако даже в случае смачивания расплавом поверх­ ности керамики ультразвуковое воздействие позволяет резко увеличить скорость движения расплава но капил­ лярам и значительно повысить глубину проникновения сверх рассчитанной для сил капиллярного давления.

Этот эффект, названный ультразвуковым капилляр­ ным эффектом, успешно применяется в различных обла­ стях машиностроения для пропитки. Смысл капиллярно­ го эффекта в данном случае, очевидно, состоит в опреде­ ленном насосном действии ультразвука, возникающем за счет звукового давления, которое, как уже указывалось выше, может составлять несколько десятков атмосфер.

Металлизация в расплаве под действием ультразвука

152

широко применяется в радиопромышленности для ме­ таллизации омических иглодержателей (выводов) из ме­

Рис. 67. Схематический разрез полупроводникового прибора с отдельными элементами:

6 — покрытие иглодержателя

специальная оправка, в которой помещается несколько десятков выводов. Эта оправка состоит из двух налага­ ющихся друг на друга дисков с отверстиями для выво­ дов. В центре диски стягиваются винтом, к которому крепится рукоятка. Металлизируемые детали устанавли­ ваются в нижнем диске и фиксируются верхним. После крепления в приспособлении выводы опускаются в озву­ чиваемый расплав на 4—5 сек. Эту операцию повторя­ ют 3—4 раза.

При повышении интенсивности колебаний в расплаве на поверхности образуется порошок черного цвета — окислы олова. Для предотвращения этого явления сле-

153

Дует уменьшить интенсивность и время от времени специ­ альным скребком очищать зеркало расплава.

В некоторых случаях при изготовлении полупровод­ никовых приборов необходимо покрыть поверхность иг­ лодержателя тонким слоем алюминия. Для решения этой более сложной задачи необходимо все операции расплавления покрытия вести в вакууме или в нейтраль­ ной среде аргона. Это условие налагает ряд ограничений на технологический процесс металлизации и конструк­ цию оборудования для ее осуществления.

Для металлизации выводов алюминием может быть применен полуавтомат для безфлюсовой металлизации (рис. 68)*. Ритм работы автомата рассчитан так, что

L

Рнс. 68. Полуавтомат для бесфлюсовой металлизации выводов алю­ минием:

/ — печь: 2 — рамка с выводами; 3 — излучатель

* Т а ш к а л о в Ю. И. Дипломная работа. ИЭМ, 19G6.

154

при подходе к ванне с расплавом 1 иглы 2 успевают на­ греться (их диаметр 100 мкм). Ультразвуковые колеба­ ния сообщаются расплаву посредством изгибного волно- водно-излучающего звена 3. Ультразвуковые колебания возбуждаются только в момент касания иглами распла­ ва. Весь процесс металлизации идет в атмосфере арго­ на, поэтому конвейер помещен под герметичный колпак и управляется через герметичные вводы (на рис. 68 кон­ вейер показан без колпака).

Применение алюминия в качестве проводов, рассчи­ танных на большие токи, ограничивается проблемой со­ единения. Однако высокая стоимость меди стимулиро­ вала работы по замене меди алюминием. В связи с этим в настоящее время передача значительной электриче­ ской мощности на расстояние осуществляется при по­ мощи алюминиевых кабелей. Главным образом это отно­ сится к линиям передач, прокладываемым в траншеях, где соединение осуществляется мягкой пайкой.

Применение легких алюминиевых кабелей на самоле­ тах позволило облегчить вес электрооборудования.

Соединение алюминиевых кабелей стало возможным благодаря использованию для процесса металлизации алюминия ультразвуковых колебаний.

Соединение осуществляется двумя способами. Пер­ вый способ состоит в погружении зачищенных и предва­ рительно облуженных в этой же ванне концов кабеля в ультразвуковую ванну для пайки, после чего произво­ дится пайка наконечников. Наружная защита кабеля от воздействия атмосферных осадков производится либо лаком, либо битумными компаундами. По второму спо­ собу [39] алюминиевый кабель создается из луженых жил, с которыми наконечники соединяются пайкой уже без участия ультразвука. На рис. 69 показан процесс не­ прерывного лужения алюминиевой проволоки по этому

155

способу. Сначала проволока обезжиривается в травиль­ ной ванне 1, моется в ванне 2, затем подогревается в расплаве 3 и металлизируется в зоне действия ультра­ звукового излучателя 11. Далее проволока снова дви-

Рис. 69. Схема непрерывного лужения алюминиевой проволоки с применением ультразвука [39J:

лишки путем пропускания проволоки через фильеру 7. Затем проволока охлаждается в баке 8 и наматывается на барабан 9. Для длительного хранения проволоки на складе рекомендуется луженую проволоку покрыть тон­ ким слоем оливкового масла.

Широкое применение нашел ультразвук в процессах нанесения покрытий электрохимическими и химическими методами [40].

156

ГЛАВА X

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ОЧИСТКА И ТРАВЛЕНИЕ

Уже давно заметили, что если в жидкость поместить загрязненную металлическую деталь и возбудить в этой

стится от грязи. Процесс очистки при воздействии энер­ гии ультразвука не только ускоряется, но и позволяет по­ лучить недостижимую другими методами степень очист­ ки. Естественно, что первыми на вооружение новый ме­ тод взяли те производства, где от качества очистки за­ метно зависит работоспособность выпускаемой продук­ ции. Очень быстро ультразвуковой метод очистки внед­ рили в часовой промышленности, электронной промыш­ ленности, в производстве подшипников и оптических сте­ кол.

Со временем оказалось, что способ ультразвуковой очистки выгодно применять и в металлургии. Быстрота, и, главное, качество очистки больших поверхностей по­ зволили применить ультразвук в производстве труб, про­ волоки, полос и листов в потоке.

Исследование процесса очистки под действием уль­ тразвука показало, что определяющим условием очистки является возникновение и развитие в используемой жид­ кости ультразвуковой кавитации.

Читатель, видимо, помнит, что при распространении мощного ультразвука в жидкости происходят зарожде­

157

ние, рост и захлопывание кавитационных пузырьков. Те­ оретически очень прочная (прочность жидкости, опреде­ ляемая силами межмолекулярного сцепления, состав­ ляет 10000 ат), в действительности жидкость легко раз­ рывается при значениях звукового давления всего в 1— 2 ат из-за присутствия твердых и газообразных приме­ сей. О том, как влияет на кавитационную прочность («порог» кавитации) воды содержание растворенного га­ за, можно судить по графику рис. 70 [41]. Именно по­ этому для управления процессом кавитации и, следова­ тельно, эффективностью процесса ультразвуковой очист­ ки рядом исследователей было предложено при очистке пропускать через жидкость газ.

Однако опыты показали, что если пропускать через жидкость слишком много газа, то одновременно с ростом количества кавитационных пузырьков падает как интен­ сивность ударов при их захлопывании, так и эффектив­

растворенный газ и из-за противодействия давления га­ за внутри пузырька перестают захлопываться.

При кавитации всегда возникает два типа пузырьков. Одни из них тут же (в полупериоде сжатия) захлопыва­ ются с генерированием ударного импульса (см. рис. 2), другие могут существовать многие периоды, колеблясь (пульсируя) относительно положения равновесия. И те, и другие активно воздействуют на загрязнение. Методом ускоренной киносъемки удалось подсмотреть, как рабо­ тают кавитационные пузырьки. При попадании под край загрязнения (рис. 71) пульсирующий пузырек ведет се­ бя как таран, который постепенно внедряется под плен­

158

бледнее явление удалось заметить, когда производили ультразвуковую очистку при наложении статического давления. Твердая пленка канифоли на плексигласе не

’разрушается пульсирующими пузырьками, так как она обладает хорошим сцеплением с органическим стеклом.

Когда наложили давление, то кинокамера перестала за­ мечать крупные пульсирующие кавитационные пузырьки.

шого количества маленьких кавитационных пузырьков, которые уносили отслоившиеся частицы загрязнений от поверхности и способствовали притоку свежих порций растворителя к очищаемой поверхности. Впечатление, которое получает кинозритель при просмотре кадров ус­ коренной киносъемки процесса очистки под действием ультразвука, настолько велико, что, посмотрев лишь

159