УДК 621.79

Анализ изменения прочностных свойств ферритов и керамик при температурном воздействии

Котина Н.М., Куц Л.Е., Жевалев О.Ю., Куц К.В.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
410054 г. Саратов, Россия

 

Ферриты относятся к оксидным магнитным керамикам и имеют сложный химический состав и кристаллическую структуру (гранат, шпинель и др.). Диффузионная сварка в вакууме (ДСВ) ферритов с металлами в отличие от сварки конструкционных керамик требует более тщательного выбора и «жесткого» соблюдения технологических параметров процесса. Особенности ДСВ ферритов с металлами рассмотрены в настоящей статье.

Одной из особенностей соединения является необходимость сохранения определенных магнитных и электрических свойств данных материалов, в частности, намагниченности насыщения 4πIS, тангенса угла магнитопотерь tgδμ, ширины линии ферромагнитного резонанса ΔН, температуры Кюри точки Тс, удельного электрического сопротивления ρ, тангенса угла диэлектрических потерь tgδε. В общем случае данные свойства зависят от изменений микроструктуры, фазового и химического состава ферритового материала и напряженного состояния.

Рентгеноструктурные и металлографические исследования иттрий-гадолиниевых феррогранатов [1] и магний-хромовых феррошпинелей показали, что в интервале значений параметров сварки (температуры 800÷10300C, времени изотермической выдержки τ= 5÷60 мин, давления сжатия р=10÷25 Па, разрежения В=10-2÷10-3 Па, скоростей нагрева и охлаждения v=0,08÷0,3 K·c-1) изменения микроструктуры среднего размера зерна и появление новых фаз в ферритовых материалах (даже при моделировании процесса ДСВ на порошках) не наблюдаются. Изменения магнитных свойств иттриевых феррогранатов после указанной обработки  несущественны и близки к значениям погрешностей измерительного оборудования.

Для магний-хромовых шпинелей наблюдаются изменения практически всех магнитных и электрических свойств, например, ρ изменяется от 1010 до 106 Ом·м.

Данные факты могут быть связаны с выделением примесей по границам зерен и восстановлением ферритового материала, а также изменением степени обращенности шпинели. Наиболее существенными параметрами ДСВ для указанных процессов являются: длительность пребывания ферритов при повышенных (800÷10000C) температурах; парциальное давление кислорода в вакуумной камере; скорость охлаждения феррита после сварки.

Как показывают термодинамические расчеты, в условиях ДСВ принципиально возможно восстановление ферритов и появление новых фаз и твердых растворов замещения на их основе. В определенном случае восстановительные процессы контролируются с помощью коэффициента самодиффузии кислорода в кристаллической решетке феррита при малых значениях температуры и общей длительности  сварки.

Рентгеноструктурные исследования порошков магний-хромовых шпинелей, отожженных при 10000C в течение 1 ч при давлении воздуха в камере 10-3 Па, выявили изменение параметра кристаллической решетки шпинели порядка 0,0013 нм. Данный факт можно объяснить восстановлением шпинели, которое, как и в случае иттриевых феррогранатов [2], наиболее существенно в поверхностных слоях материа­ла и не вызывает изменений магнитных свойств во всем объеме. В то же время возможно изменение степени обращенности шпинели [3]. В этом случае изменения магнитных свойств происходят во всем объеме материала и контролируются они с помощью скорости остывания от температуры сварки. Чтобы выявить основные процессы, влияющие на изменение рассматриваемых свойств, необходимо провести дальнейшие  исследования.

Таким образом, в отличие от сварки конструкционных керамик при ДСВ ферритов с металлами следует признать значимым фактор термовакуумного воздействия для возможных изменений магнитных и электрических свойств ферритов.

Феррошпинели по сравнению с феррогранатами наиболее сильно подвержены вышеупомянутому воздействию, что приводит к  изменениям  параметров процесса ДСВ. Это, прежде всего, снижение температуры сварки, использование сварочной среды с контролируемым парциальным давлением кислорода, а также выбор режимов охлаждения.

При ДСВ магнитных керамик необходимо учитывать их низкую термостойкость или более  низкое сопротивление температурным напряжениям (CTH) [4]. Температурным напряжениям, приводящим  к разрушению  изделия, соответствует  разность температур ΔТкр, называемая  критической и пропорциональная некоторым величинам, приведенным для типичных керамик и ферритов в таблице. Для скоростей и нагрева и охлаждения, характерных для ДСВ, можно записать:

,

где    λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

σв – предел прочности материала, МПа;

μ – коэффициент Пуассона ;

Е – модуль упругости, ГПа;

α – температурный коэффициент линейного расширения, К-1;

rm – половина толщины пластины или радиуса цилиндра;

h – коэффициент теплопередачи на поверхности;

S – фактор, зависящий от формы образца.

Как видно из таблицы, ферриты по сравнению с конструкционными керамиками характеризуются более низкими λ и σв; что лишь в некоторой степени компенсируется меньшими значениями модуля Юнга. Численные расчеты ΔТкр показывают, что CTH ферритов в 4–10 раз ниже, чем конструкционных алюмоксидных керамик.

Не рассматривая подробно влияние формы образца, отметим, что с увеличением его размеров СTH уменьшается в простейшем случае обратно пропорционально радиусу цилиндра или половине толщины пластины. В ферритах промышленных марок это усугубляется зависимостью предела прочности от масштабного фактора. Например, для феррита 50СЧ2 увеличение площади поперечного сечения в 3 раза приводит к уменьшению σв в 1,5 раза [1].

В итоге с увеличением размеров образца CTH ферритов падает более резко, чем у конструкционных керамик. Отсюда становится понятной большая чувствительность ферритов к колебаниям скоростей нагрева и охлаждения при сварке. Для полностью «компенсированных» узлов (феррит+металл+феррит), по нашему мнению, наиболее опасно превышение допустимой для конкретного феррита скорости нагрева. Для «некомпенсированных» (феррит+металл) или «частично компенсированных» узлов (феррит+металл+металлический компенсатор) – скорости охлаждения вследствие возрастания температурных напряжений в ферритовом материале, уже сваренном с металлом, из-за разницы в значениях α для феррита и металла.

Результаты экспериментальных исследований показали, что скорости нагрева и охлаждения 0,25÷0,3 К·с-1 для конструкционных керамик пригодны лишь для небольших ферритометаллических узлов (порядка 10×10×З мм). Для узлов больших размеров (порядка 30×30×6 мм) допустимые скорости нагрева и охлаждения понижаются до значений 0,08÷0,12 K·с-1. В этой связи ручное регулирование температурного режима нагрева и охлаждения, исключающего растрескивание феррита (особенно при сварке шпинелей), оказалось затруднительным. Лишь применение автоматических программных регуляторов позволило предотвратить возникновение трещин.

Одна из особенностей ДCB ферритов с металлами – это необходимость (как и при сварке конструкционных керамик) учета разности температурных коэффициентов линейного расширения материалов. Значения α для ферритов и конструкционных керамик близки, но меньшая прочность первых может привести к разрушению ферритометаллических узлов при напряжениях, которые не являются критическими для керамико-металлических узлов. Данная проблема решена путем использования «частично компенсированных» узлов. В качестве компенсатора напряжений применяли молибденовые псевдосплавы МД50, МД40Н, МД15Н. Теоретические расчеты напряженного состояния данных узлов и экспериментальные исследования показали, что оптимальные соотношения толщин феррита и металлической прокладки 10:1, феррита и компенсатора от 10:3 до 10:5.

Применение указанных соотношений при ДСВ иттрий-гадолиниевых феррогранатов и магний-хромовых феррошпинелей с использованием медной прокладки позволило обеспечить требуемый уровень прочности сварных ферритометаллических узлов: В зависимости от конкретных требований к узлам, кроме меди, можно применять алюминий, никель, титан. Высокотемпературное сопротивление деформированию последнего при Т>800°С ниже, чем у меди [4], а коэффициент а близок к его значениям для ферритов.

Качество сварки ферритов зависит от характера их металлургического взаимодействия с металлами.

 

Таблица

Свойства керамических и ферритовых материалов

Материал

σв, МПа

E,  ГПа

α·10-6, К-1

λ, Вт/(м·К)

Керамика:

22Х

140

255

7,8

10,5

22XC

130

255

7,8

13,4

М-7

85

204

7,8

10.0

А-995

100

380

7,8

16,7

Поликор

—

392

8.3

23.0

Феррогранат:

10СЧ6

37

206

9,05

6.7

30СЧ6

39

202

6.95

6,0

40СЧ4

32

206

8,15

5,0

60СЧ

41

215

6,70

4.3

Феррошпинель:

10СЧ8

15

129

7,50

5,3

8СЧ5

29,5

145

7.60

3,2

30СЧ10

22,5

163

9,45

4,5

Примечание. Для керамик даны средние значения а в интервале 20÷800°С; для феррогранатов и феррошпинелей – при 25°С.

 

 

Рис. Зависимость прочности на сдвиг соединений феррограната 30СЧ6 с медью от параметров  сварки:

1 – от температуры (р= 18 МПа, τ= 18 мин);

2 – от давления сжатия   (T= 1020°C, τ= 18 мин);

3 – от времени   (T= 10200C,  р=18 МПа)

Если при сварке конструкционных керамик и стекол  с  металлами переходную  зону взаимодействия во многих  случаях не удается обнаружить ни микроструктурными, ни иными физическими методами исследования [4], то при ДСВ  феррит обнаружение  переходной зоны  взаимодействия обычно вызывает затруднения. В соединениях иттрий-гадолниевых феррогранатов  и магний-хромовых  феррошпинелей с медью наблюдается односторонняя диффузия атомов меди феррит, причем в  последнем случае образуется  хорошо выраженный  слой  продуктов взаимодействия  металла  с ферритом (предположительно растворы на основе CuО, CuFe2O4). Для рассматриваемых шпинелей качество  сварных узлов определяется толщиной слоя продуктов взаимодействия вероятностью зарождения микротрещин в указанном слое, о чем  свидетельствует  характер  разрушения  сварных узлов при термоциклировании  (разрушение  в основном по слоям продуктов взаимодействия).

Для рассматриваемых гранатов разрушение происходит сохранением большого количества частичек феррита в металле, свидетельствующее о распространении микротрещин в приконтактном слое феррита. Данный факт может быть объяснен преимущественной диффузией атомов меди по границам зерен феррита. При этом образуется своеобразный «каркас», что способствует возникновению микронапряжений и приводит к растрескиванию поверхностного слоев феррита при термических нагрузках. Результаты кинетических исследований формирования соединений феррита 30CЧ с медью, представленные на рис. 1, показывают уменьшение прочности соединений с увеличением значений технологических параметров процесса ДСВ выше оптимальных, что связано с рассмотренным  характером взаимодействия.

Литература

1.      Конюшков Г. В., Зотов Б. M., Меркин Э. И. Ферриты и их соединения с металлами и керамикой. M.: Энергия, 1979. 232 с.

2.      Статика и кинетика процесса диссоциации феррогранатов при высокотемпературной вакуумной пайке/А. С. Бакштаев, В. Ф.. Балакирев, В. П. Бархотов и др. – Электронная техника, 1979, сер. 6, вып.  11, с. 44–47.

3.      Физические и химические основы формирования сварных соединений металлов с неметаллическими изделиями / Г.В. Конюшков,  Р.А. Мусин, Х. Херольд, О.Ю. Жевалев, А.Н. Балакин // Сварка и диагностика. – 2007. - №4. – С. 6-8.

4.      Конюшков Г.В, Мусин Р.А. Специальные методы сварки давлением. Учебное пособие.-Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2009.-632 с.