Ковалёнок А.О., д. ф.-м. н. Шепелевич В.Г.

Белорусский государственный университет, Беларусь

СТРУКТУРА И МИКРОТВЕРДОСТЬ БЫСТРОЗАТВЕРДЕВШИХ ФОЛЬГ СПЛАВОВ ОЛОВО – МЕДЬ

При разработке бессвинцовых припоев на основе олова в качестве легирующих элементов используются металлы с высокой температурой плавления (медь, серебро, никель и др.), которые незначительно растворяются в олове и образуют с ним металлические фазы [1 – 3]. Их структура и физические свойств зависят от условий получения. В последние десятилетия активно используются нетрадиционные методы получения материалов, к которым относится и высокоскоростное затвердевание. В связи с этим актуальными являются исследования структуры сплавов олово-медь, полученных методом сверхбыстрой закалки из расплава.

Сплав Sn – 4,0 масс. % Cu получен растворением меди в жидком олове в вакуумированных кварцевых ампулах при температуре 800°С в течение 24 ч, последующей гомонизацией при 400°С в течение 3 суток и охлаждением ампулы с расплавом в холодной воде. Полученный сплав использовался для изготовления других сплавов олова с концентрацией меди 0,5, 1,0, 2,0 и 3,2 масс. %. Быстрозатвердевшие фольги сплавов получены кристаллизацией капли расплава на внутренней полированной поверхности медного вращающегося цилиндра. Скорость охлаждения расплава составляла 5·10⁵ К/с. Методы измерения параметров структуры и свойств описаны в [4].

Быстозатвердевшие фольги исследуемых сплавов системы олово-медь имеют двухфазную структуру. Основными фазами сплавов являются твердый раствор олова и дисперсные частицы ŋ-фазы(Cu₆Sn₅), что подтверждается наличием дифракционных линий упомянутых фаз на дифрактограмме.

Частицы ŋ-фазы имеют преимущественно равноосную форму (рисунок 1). Их размер с ростом концентрации меди в олове до 4,0 масс. % увеличивается, но не превышает 1 мкм.

Рисунок 1. Микроструктура быстрозатвердевшей фольги сплава

Sn – 2 масс. % Cu

В быстрозатвердевших фольгах сплавов системы Sn – Cu образуется микрокристаллическая структура и формируется текстура. В таблице 1 приведены полюсные плотности дифракционных линий твердого раствора олова. Максимальная полюсная плотность принадлежит дифракционной линии 200, что указывает на формирование текстуры (100) параллельно ее поверхности составляет (55 – 95) %. С увеличением концентрации меди в сплаве текстура (100) монотонно ослабевает. Формирование текстуры обусловлено преимущественным ростом кристаллитов, у которых плоскость (100) перпендикулярно направлению теплового потока [5].

Микротвердость H_μ, измеренная при нагрузке 10 г, фольг и массивных образцов, полученных при скорости охлаждения 10² К/с, сплавов Sn – Cu в зависимости от состава представлена на рисунке 2. Микротвердость быстрозатвердевших фольг превышает микротвердость массивных образцов на 40..50 % и увеличивается с повышением концентрации меди в исследуемых сплавах. Основным механизмом увеличение упрочнения является дисперсионное упрочнение. Повышение дисперсности выделений ŋ-фазы, а также увеличение их количества обуславливает рост микротвердости быстрозатвердевших сплавов олова с увеличение концентрации меди.

Таблица 1

Полюсные плотности дифракционных линий

быстрозатвердевших сплавов Sn – Cu

Концентрация меди, мас.%	Дифракционные линии
	200	101	220	211	301	112
0	5,9	0,1	0,0	0,0	0,0	0,0
0,5	5,6	0,2	0,1	0,1	0,0	0,0
1,0	5,6	0,2	0,1	0,1	0,0	0,0
2,0	4,2	0,4	0,8	0,4	0,1	0,1
3,2	2,8	0,5	1,7	0,6	0,2	0,2
4,0	3	0,5	1,6	0,5	0,2	0,2

Рисунок 2. Зависимость H_μ, от концентрации меди в олове

(1 – массивные образцы, 2 – быстрозатвердевшие фольги)

Быстрозатвердевшие фольги сплавов Sn – Cu находятся в неустойчивом состоянии. Отжиг фольг при 190°С в течение 2 ч приводит к ослаблению текстуры. При этом также происходит укрупнение частиц ŋ-фазы и уменьшение микротвердости.

Таким образом, быстрозатвердевшие сплавы олова, содержащие до 4 масс. % Cu, являются двухфазными, содержат дисперсные выделения η-фазы. Фольги имеют микрокристаллическую структуру и текстуру твердого раствора (100). Микротвердость фольг монотонно увеличивается с концентрацией меди и превосходит микротвердость массивных образцов.

Литература:

1. Ochoa F., Williams J.J., Chacola N. Effect of Cooling Rate on the Microstructure and Mechanical Behavior of Sn-3,5Ag solder // JOM. 2008. Vol. 55. № 6. P. 56 – 60.

2. El Said Gouda. A Study of microstructural development, hardness and micro-crip of Sn-3.5Ag – 0.7Cu lead-free solder alloy prepared by rapid solidification // Eur.Phys. J. Plus. 2011. Vol. 126:84.

3. Bali R., Fleury E., Han S.H., Ahn J.P. Interfacial intermetallic phases and nanoeutectic in rapidly quenched Sn – Ag – Cu on Au under bump metallization // J. of alloys and compounds. 2008. Vol. 457. P.113-117.

4. Шепелевич В.Г., Ван Цзиндзе. Стуктура, микротвердость и стабильность быстрозатвердевших фольг системы In – Sb // Неорган. материалы. 2010. Т. 46. № 4. С. 393 – 397.

5. Гусакова О.В., Шепелевич В.Г. Быстрозатвердевшие сплавы олова. Минск: РИВШ. 2012. 150 с.