автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование процесса нанесения металлических покрытий из расплавов в ультразвуковом поле на медные и алюминиевые элементы теплообменных аппаратов

московский

ордена октябрьской революции и ордена трудового красного знамени институт стали и сплавов

На правах рукописи

КОРЧЕВСКИЙ Николай Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ РАСПЛАВОВ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ НА МЕДНЫЕ И АЛЮМИНИЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

05.16.01 — металловедение и термическая обработка

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

/

' > ) о " ..

- £ - *' . , ■. . •

^ ^ ' -Л.:'

Диссертационная работа выполнена в ИФТТ АН СССР

Научный руководитель: доктор технических ааук,

-профессор АБРАМОВ О. В.

Официальные оппоненты: доктоо технических наук,

профессор ЭСКИН Г. И.

кандидат технических наук, доцент ЗАЙЦЕВ А. К.

Ведущее предприятие — завод «Экватор», г. Николаев

Защита диссертации состоится « У

в / / часов на заседании специализированного совета К. 053. 08. 03 при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д. 4, МИСиС

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан «

» С^у^ .г 190 г г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, профессор

САМАРИН Б. А.

общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ 1ЕМЫ

Теплообменная аппаратура в условиях морской среды подвержена коррозии, что влечет за собой значительные материальные потери. Для защиты теплообменных аппаратов от коррозии применяют металлпче-:кие покрытия. Перспективна замена в теплообменных аппаратах меди и медноннкелевых сплавов на более дешевые алюминий и его сплавы. Актуальной металловедческой и технологической задачей является разработка новых и совершенствование существующих защитных покрытий и технологии их нанесения. Сложность нанесения металлических покрытии на алюминий, который также нуждается в антикоррозионной защите, связана с необходимостью обеспечить смачивание металла расплавами припоев. Нанесение покрытий в ультразвуковом поле из расплавов — метод ультразвуковой металлизации (УЗМ) позволяет решить задачу и при этом отказаться от флюсования, что благоприятно как для коррозионной стойкости, так н в связи с остротой экологических проблем. УЗМ сравнительно недавно начали развивать как один из методов повышения качества покрытий на сложных для металлизации материалах и решения актуальной задачи техники п физики поверхности — создания соединений разнородных материалов. Достоинством метода УЗМ является его высокая универсальность. Ультразвуковые колебания интенсифицируют процессы смачивания, лежащие в основе технологических процессов нанесения покрытий. Результаты изучения влияния ультразвука на процессы смачивания могут быть полезны при разработке технологии процессов кристаллизации, очистки, пропитки, рафинирующей обработки расплавов, пайки, металлизации и ряда других.

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Целью работы является разработка технологии нанесения защитного покрытия на алюминиевые н медные подложки методом УЗМ.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

исследованы процессы смачивания и растекания по алюминию и меди расплавов легкоплавких металлов и их сплавов при ультразвуковом воздействии и в его отсутствие;

изучены особенности взаимодействия металлических расплавов с твердыми металлами в ультразвуковом поле;

исследовано влияние технологических параметров процесса УЗМ па структуру и эксплуатационные свойства покрытий, наносимых на медь и алюминий;

получены данные по коррозионной стойкости покрытий и выбраны оптимальные составы;

разработан технологический процесс УЗМ алюминиевых и медных лент для оребрения теплообменных аппаратов;

разработана схема комплексного использования ультразвука в производстве теплообменных аппаратов..

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

В диссертационной работе защищается новизна следующих научных результатов:

1. Впервые получены температурные н концентрационные зависимости краевых углов смачивания, работ адгезии расплавов легкоплавких металлов 1п, В1, Бп, РЬ, БЬ и сплавов двойных систем Бп—РЬ, Бп— БЬ, БЬ—РЬ, Бп—2п, 2п—А1 к алюминию и меди в ультразвуковом поле. Показано, что растскаемость сплавов выше, чем однокомпонентных расплавов. Предложен возможный механизм интенсификации процессов смачивания под действием ультразвука.

2. Разработана и экспериментально опробована методика опосред-ственного изучения межфазных характеристик на тройной границе раздела контактирующих фаз в ультразвуковом поле, что позволяет расширить возможности изучения процессов смачивания.

3. Установлены особенности взаимодействия расплавов легкоплавких металлов с твердыми металлами в ультразвуковом поле. Вскрыты некоторые физические и физико-химические факторы, обуславливающие разрушение твердых металлов в металлических расплавах при наложении ультразвукового поля.

4. Установлены экспериментальные зависимости толщины и коэффициентов металлизации покрытий от таких параметров процесса УЗМ, как интенсивность ультразвука, температура процесса, время обработки, геометрия щелевой насадки.

5. На основе новых данных по коррозионной стойкости в растворе хлорида натрия защитных покрытий на алюминиевой и медной подложках, полученных методом ультразвуковой металлизации, выбраны оптимальные составы покрытии.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Разработан новый высокопроизводительный процесс УЗМ алюминиевых и медных лент для оребрения теплообменных аппаратов. Разработаны основы комплексного использования ультразвука в производстве теплообменных аппаратов.

При использовании разработанного технологического процесса УЗМ медной ленты для оребрения уменьшается расход дефицитного оловян-но-свинцового припоя па 15—20 % за счет получения равномерных покрытий требуемой толщины (18'±5 мкм). Переход па алюминиевое оребренпе взамен медного снижает стоимость на 45—60 %, а массу теплообменных аппаратов — в 2—2,5 раза. Процесс позволяет перейти и к более дешевым стальным изделиям.

Комплексное использование ультразвуковой техники и технологии озволяет повысить культуру производства, поднять качество продукции снизить ее себестоимость, что дает расчетную экономическую эффектность от внедрения результатов работы около 250 тыс. руб.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Отдельные разделы диссертации и вопросы, имеющие к пей отпоше-ие, изложены в ряде печатных работ, подано две заявки на предно-агаемые изобретения.

Работа прошла апробацию на:

1. Всесоюзной научно-технической конференции «Новые разработки области ультразвуковой техники и технологии в машиностроении».

[овосибирск, 1989 г.

2. Всесоюзном симпозиуме «Акустическая кавитация и проблемы нтенсификации технологических процессов». Одесса, 1989 г.

3. Международной научно-технической конференции «Ультразвук в ехнологин машиностроения-91». Архангельск, 1991.

4. Всесоюзной акустической конференции, /Москва, 1991 г.

ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, изложена а 199 страницах. Основной текст содержит 98 машинописных страниц, 2 рисунка и 6 таблиц. Библиография включает 198 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Была рассмотрена и проанализирована информация о материалах, рнменяемых в конструкциях судовых теплообмепных аппаратов. Пока-ана необходимость коррозионной защиты изделий, работающих в усло-нях морской среды. Для теплообмепных аппаратов, в силу теплотех-пческих требований, предпочтительней является защита металлическими окрытиямн. Существующие технологические процессы лужения медных екцнн теплообменников не обеспечивают равномерного нанесения окрытий, что влечет за собой перерасход дефицитных оловянно-свин-.овых припоев. Отсутствие высокопроизводительной технологии нанесе-ия защитных металлических покрытий на алюминий сдерживает пере-од к производству алюминиевых теплообмепных аппаратов для судо-троення. Одним из возможных методов нанесения покрытии на а.ио-пшиевые подложки является ультразвуковая металлизация, однако :роцесс еще малоизучен, что потребовало его дальнейшего изучения.

Показано, что явления смачивания лежат в основе процессов юрмнрования покрытий. Рассмотрены современные представления о юханизме смачивания твердых металлов металлическими расплавами ;ак в отсутствие, так и при физических воздействиях и, в частности, при галожепии ультразвуковых колебаний. Ультразвук оказывает пнтенси-лщирующее воздействие на смачивание и растекание.

На основе анализа научно-технической информации сформулированы основные цели и задачи исследования.

Для проведения исследовании б качестве исходных материалов использовались высокочпстые (99,999 %) металлы йа, 1п, Бп, В1, РЬ, Ъ\\, БЬ, А1. Сплавы па их основе выплавляли в вакууме в кварцевых ампулах с неоднократными переплавами и гомогенизирующими отжигами. Контроль сплавов осуществляли химическим и рентгепоспсктраль-ным анализом. На каждую двойную систему было приготовлено не менее восьми сплавов.

При исследовании состава и структуры, а также распределения элементов в экспериментальных образцах были использованы рентгено-спектральный микроанализ, металлографический анализ с использованием оптической и сканирующей электронной микроскопии, рептгено-фазовый анализ.

Исследование смачивания и взаимодействия металлических расплавов с твердыми металлами проводили методом покоящейся капли постоянного объема. В экспериментах использовали высокочпстые алюминий п медь, из которых изготавливали полированные подложки.

Эксперименты проводили на специально созданной вакуумной установке для изучения взаимодействия металлических расплавов с твердыми телами, как с наложением ультразвукового поля, так п в его отсутствие в интервале температур перегрева от 10 °С до 400 °С. Установка позволяла реализовать как метод покоящейся капли, когда ультразвук подводился через подложку в расплав, так и иммерсионный метод, когда колебания подводились через расплав к исследуемому образцу. Определяли степень смачивания (краевые углы), растекания (площадь пятна смачивания), степень взаимодействия расплавов с твердыми телами е ультразвуковом поле.

При разработке технологии формирования покрытий была получена необходимая информация о характере и закономерностях смачивания 1 распространения жидкой фазы различного состава по поверхности подложек Установлено, что характер поведения жидкой фазы на поверхности алюминия и меди существенным образом зависит от содержаниу второй компоненты в расплаве. Особенно наглядно хто видно па при мере расплавов Бп—РЬ па меди. Наложение ультразвуковых колебанш" с амплитудой 3—7 мкм интенсифицирует процесс смачивания и растека иия, повышает степень смачивания (уменьшаются краевые углы смачивания и время достижения квазиравновесных значений) (рис. 1, 2) При температурах перегрева около 250—300 °С значения краевых углое ие превышают нескольких градусов. В диапазоне амплитуд колебанш 3—7 мкм значения краевых углов постоянны и не зависят от интенсив ности УЗК. Использование колебаний с амплитудой более 8—10 мкм \ увеличение температуры перегрева свыше 350 °С при амплитуде УЗЬ 3—7 мкм приводит к распылению капель расплава.

При наложении УЗК снижение краевых углов происходит практиче ски безинерционно с высокой скоростью и время достижения квазирав новесных значений для всех составов и температур перегрева до 350 °С не превышает 1 с, 6

Картины смачивания и растекания чистых металлов Sn, Pb и их "шпарпых сплавов по медной подложке под воздействием УЗК качественно различаются. Для Sn и РЬ степень растекания была незначительной, что, по-видимому, связано с образованием как ннтерметаллнда в случае с расплавом Sn, так п малой растворимостью РЬ в меди для данного случая. Возможно также, что растекание снижается н при образовании окисных пленок. Краевые углы для Sn и РЬ уменьшаются до значений не менее 30 градусов.

Для сплавоз наблюдали практически полное растекание (краевые углы составляют не более 10—13 градусов). Под влиянием ультразвука площадь пятна смачивания в 3—5 раз больше пятна смачивания одноком-попентпых Sn п РЬ. Характерно наличие немонотонной зависимости степени растекания (площади пятна смачивания) ог концентрации сплавов :истсмы Sn—РЬ (рис. 3). Несмотря на большой разброс значений, для эвтектических Sn—РЬ сплавов наблюдалось некоторое снижение расте-касмостн по сравнению с другими сплавами. Зависимость растекаемости от краевых углов смачивания имеет вид гиперболы п, по-видимому, :.равпительно большой разброс значении величины площади пятна смачивания связан с тем, что небольшие изменения малых краевых углов при флуктуациях ультразвукового поля приводят к значительному изменению площади пятна смачивания. Исходя из представлений об условиях растекания жидкости по твердому телу в соответствии с уравнением Юнга, нельзя связать немонотонность этой кривой с изменением поверхностного натяжения жг системы Sn—РЬ, так как па концентрационной зависимости поверхностного натяжения сплавов Sn—РЬ отсутствуют перегибы.

Незначительно изменяется и вязкость расплава под действием УЗК. Можно предположить, что немонотонность связана с наличием особой структуры расплава в эвтектической области, когда изменяются такт свойства как сжимаемость и поглощение ультразвука. В таких особых точках, как следствие этого, может меняться скорость распространения ультразвука, которая является структурночувствительным свойством. Вследствие, изменения при этом энергетических параметров процесса должна меняться и растекаемость.

Из условии рассмотрения и анализа связи сил когезни, сжимаемости расплава и условий распространения ультразвука в расплаве было найдено выражение, в явном виде связывающее параметры процесса ультразвукового смачивания:

-л.1 г г -1

Cos 0 = Wa i с AcO V — 1

где Wa — работа адгезии, i — интенсивность ультразвукового поля, с -— скорость распространения колебаний в расплаве, А — амплитуда УЗК, W— частота колебаний, V — объем расплава.

Результаты расчета работ адгезии Wa и энергии взаимодействия Е на основе полученных экспериментальных данных для Sn—РЬ расплавов на меди приведены в табл. 1.

Аналогично протекает смачивание н растекйние легкоплавких м таллов Оа, 1п, Бп, В1, РЬ, Тп, БЬ, сплавов систем Бп—ЗЬ, РЬ—5 по меди п в ультразвуковом поле, и без его наложения. Показано, ч-УЗК интенсифицируют процесс. Обнаружено, что для сплавов наблюд ется более высокая растекаемость под действием УЗК чем для одн компонентных расплавов. Подробно рассмотрены факторы, влияющие I распространение расплавов металлов по металлическим твердым тела: предложен возможный механизм ультразвукового смачивания.

Одновременно с распространением по поверхности твердых т< металлических расплавов при наложении ультразвука происходит уск репное их .проникновение в объем подложки. Методом электроннс сканирующей микроскопии установлено, что границы зерен являют< преимущественными местами формирования мостиков смачивания. Г границам зерен происходит адсорбционное разрушение подложек, ультразвуковом поле способность к эффекту Ребнндера проявляется ряда металлов, не являющихся адсорбционно-активнымн при отсутствг колебаний, например, сурьма является адсорбционно-активным олеме том для алюминия в Бп—БЬ, РЬ—БЬ системах.

Исследования показали, что по крайней мере до температур 700 с монокристаллы оксида алюминия не смачиваются расплавами легк плавких металлов п их сплавов в ультразвуковом поле вплоть до таю пптенсивностей, при которых реализуются напряжения в подложке, пр водящие к ее разрушению. В экспериментах исследовано влияние толщин окнсной пленки на алюминии на характеристики смачивания. До знач пин толщин порядка 0,03 мкм, т. е. тех максимальных, которые мож1 было получить термической обработкой в среде кислорода, не обнар жепо влияния толщины окнсной пленки на характер кинетических и аг плнтудных зависимостей процесса смачивания.

/0С>

( ¿а

1

¿беое. -г ¿'с*

—г- / -2

л//

V"'

7 г- V

Рис. 1. Кинетическая зависимость краевых углов смачивания меди 5п—РЬ расплавами; 1 — без УЗК; 2-е УЗК; А=3 мкм; ДТ=200°С

Рис. 2. Температурная зависимость краевых углов смачивания меди Бп—РЬ расплавами в отсутствие (1) и при наложении УЗК (2) амплитудой 3—7 мкм.

Таблица 1

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА РАБОТ АДГЕЗИИ \Уа и ЭНЕРГИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Е МЕДИ И Бп—РЬ РАСПЛАВОВ В ОТСУТСТВИЕ И ПРИ НАЛОЖЕНИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИИ. АТ=200 °С, А = 3 мкм

с без УЗК с УЗК •

Концентрация Э ат. % о о н -С о <и »р О " ^ О. ¥ 2 а Е Н С = п 0, град. С4 О со сч с* О стз Ч о Ы О, град. С! О сп ¿С о Ч о Щ

0 433 35 0,15 822 123 30 0,32 859 275

4,5 447 37 0,10 763 76 15 1,03 892 919

14,4 147 35 0,13 826 107 15 1,38 893 1232

39,8 257 35 0,3 889 116 12 1,40 912 1278

70,3 469 35 0,14 844 118 11 1,10 935 1038

73,8 476 34 0,17 878 149 ¡0 1,05 919 997

78,4 488 35 0,16 907 137 11 1,02 967 987

99,3 530 35 0,13 1001 130 12 1,28 1059 ' 1508

99,8 530 35 0,13 1040 135 13 1,57 1060 1663

100,0 527 35 0,11 982 108 33 0,27 1046 279

■рь

о

£о 75

аг.%

1оО £п

Рис. 3. Концентрационная зависимость степени растекаемости капель РЬ—Бп расплавов по медным подложкам в отсутствие (1) н при наложении У31\ (2). ЛТ=250 X, А=3 мкм.

В работе показано, что колебания увеличивают гпдродпиамическук неустойчивость системы, а изменение поверхностного натяжения нахо дится и квадратичной зависимости от скорости движения расплава вызванного акустическими и кавитацпонными течениями. На нерерас иределейне энергии ультразвука, идущей на протекание и активации различного рода диффузионных и адгезионных процессов, оказывает существенное влияние склонность подложек к окислению.

Исследование влияния ультразвука на процессы смачивания и взаимодействия металлических расплавов с твердыми телами показал! возможность УЗМ алюминиевых и медных лент на малых временах обработки при достижении высокой производительности процесса. В ходе экспериментов по исследованию влияния технологических параметров процесса УЗМ (таких как интенсивность ультразвука, время обработки, температура процесса) на такие эксплуатационные свойства покрытий как коэффициент металлизации, толщина покрытий, адгезионная прочность, были получены соответствующие зависимости. Оптимальные режимы УЗМ характеризуются коэффициентом металлизации равным единице, адгезионная прочность соединения превышает прочность па изгиб материала основы. Толщина покрытий зависит от температуры процесса. При скорости движения лент более 10—15 м/с толщина покрытий практически не зависит от скорости движения и составляет около 20—25 мкм. _______ _______

Впервые в работе получены данные по электрохимическим характеристикам и коррозионной стойкости УЗМ покрытий толщиной 20—25 мкм на алюминиевых, медных, ниобиевых лентах.

Если в паяном соединении припой обычно является катодом по отношению к паяемым металлам, то защитное покрытие должно быть анодом по отношению к покрываемому. По отношению к меди, Бп—РЬ припои обладают отрицательным потенциалом, покрытие, например, меди припоем ПОССу-40-2 обеспечивает коррозионную защиту соединения в морской среде.

Характерно, что при пайке меди оловом ( » =—0,47 В), потенциал паяного соединения сдвигается в более отрицательную сторону ?=-■—0,51 В), что, по-видимому, связано с образованием интерметаллида.

При добавке 2п в Бп—РЬ припои потенциал соединения сдвигается в отрицательную область. Снижает потенциал Бп—Ъп покрытий легирование галлием. В Бп—А1 покрытиях наименьший потенциал в эвтектическом сплаве. Добавка цинка в сплав на основе алюминия понижает ¿лектродный потенциал до <?=—0,94 В. Для уменьшения электродного потенциала и улучшения электрохимических характеристик дополнительно вводили Бп, что позволило поддерживать потенциал в 3%-ном растворе КтаС1 на уровне —1,0 В--1,2 В.

Результаты коррозионных испытаний показали, что ультразвуковая металлизация не приводит к снижению стойкости медной лепты, покрытой ПОССу-40-2. Так как потенциалы соединений алюминия, паяного оловом, и меди — также паяной оловом, весьма близки (т =—0,55 В и

—0,5 В соответственно), то можно было ожидать высокой стойкости :оединений алюминия, паяных Бп—РЬ сплавами. Однако, оказалось, по соединения пз алюминия, паяные Бп—РЬ припоями, имеют низкую чоррозионную стойкость в хлоридах натрия и в морской воде. Аналогична ситуация наблюдается для соединений алюминия, паяных кадмием I цинком, — электродные потенциалы соединений в хлоридном растворе завны —0,83 В, а их коррозионная стойкость различна.

Электродные потенциалы недостаточно полно характеризуют пове-1,еине металлизированных материалов в коррозионной среде, но знание [х полезно в качестве критерия первоначального прогнозирования. Бла-оприятное соотношение потенциалов Д<? хотя и не может однозначно пределять процесс коррозии, но все же показывает, что чем меньше А <р ем более устойчиво соединение.

Сравнение литературных данных и наших измерений показывает, то ультразвуковое воздействие сдвигает потенциал в более отрицатель-ую область. Так электродный потенциал алюминия, паяного Бп в пла-(ени горелки, составляет =—0,55 В, а потенциал покрытия из Бп на люмннии, полученного УЗМ, составляет а=—0,87 В. Столь значитель-ая разность может быть связана с увеличением растворимости и более авномерным распределением алюминия в расплавах олова в ультра-вуковом поле.

В работе был найден относительно приемлемый з коррознонно отношении состав Ъх\—А1—Эп сплава для ультразвуковой металлизаци алюминиевых подложек. Температура плавления сплава около 400 Сплав обладает электродным потенциалом па уровне у——М В в ра творе N а С1. Для проверки коррозионной стойкости покрытий, получе) них методом УЗМ, на основе чистых металлов 1п, Бп, В1, 2п и двойнь: систем 5п—РЬ, Бп—Ъх\—А1 с добавками 1п, Бп, Оа, бы.г

проведены испытания в 3%-ном растворе N801 при комнатной темпер туре. Наиболее низкой коррозионной стойкостью обладают покрытия, состав которых вводили Оа. После нескольких суток испытаний покр! тие полностью отслаивается, а лента разрушается по транскристалли пому типу. Относительно наибольшей коррозионной стойкостью облад ют покрытия из цинк-алюминиевых припоев.

Процессы растворения и диффузионного насыщения шва основны металлом повышают коррозионную стойкость покрытий. Ультразвуков! воздействие положительно сказывается на коррозионной стойкости п крытий при введении в состав припоев материала основы и некоторь легирующих элементов в результате устранения микронеоднороднос структуры спая.

Следует отметить, что возможность металлизации без применен! флюсов положительно сказывается на коррозионной стойкости соедин пня. В настоящей работе разработан технологический процесс УЗ алюминиевых и медных лент для оребрення теплообменных аппаратов.

Технологическими критериями качества процесса металлизации, н ряду с краевым углом смачивания, являлись:

1) сплошность покрытия, характеризуемая коэффициентом мета лнзации К мет—Б мст/Б общ и представляющего собой отношение ш щади металлизированной поверхности к единице площади ленты;

2) адгезионная прочность сцепления покрытия с подложкой;

3) толщина покрытия.

Обобщающим критерием пригодности использования в судовых ■ плообменных аппаратах является коррозионная стойкость.

В настоящей работе был исследован процесс УЗМ меди. В периментах варьировали температуру, скорость движения ленты, инп сивность ультразвукового поля. При подобранных режимах обработ удается получить равномерные по толщине и сплошные покрытия, интервале перегревов 5—150 °С коэффициент металлизации К мет пр; тпчеекп не зависит ни от температуры, ни от скорости движения лен-При амплитудах менее 5 мкм появляются отдельные несплошно! (табл. 2). 12

Таблица 2

ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА МЕТАЛЛИЗАЦИИ МЕДНЫХ ЛЕНТ ОТ ПЕРЕГРЕВА РАСПЛАВА ПОССу-40-2 И ВРЕМЕНИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

ПРИ АМПЛИТУДАХ А 3—12 мкм

I Х^Т, °С 10 25 50 100 150 200

0,1 0,8 0,8 0,8 1 1 1

0,2 0,8 0,9 0,9 1 1 1

0,8 1 1 1 1 1 эрозия

1,6 11 1 1 эрозия эрозия

2,4 1 1 локальная

эрозия эрозия эрозия эрозия

При времени ультразвуковой обработки более 3 сек. начинают играть роль процессы растворения и эрозии ленты, что приводит как к локальным разрушениям, так и порыву ленты при движении. Не изменяя геометрию щелевой насадки, возможным оказалось получать бездефектные сплошные покрытия на медной ленте до скоростей движения более 30 м/мин. При таких скоростях движения ленты необходимо принимать дополнительные меры по охлаждению ленты из-за выноса расплавленного металла на значительные расстояния с угрозой спайки витков ленты на приемном барабане.

Растворимость медной ленты уменьшается при применении эвтектического сплава (припой ПОС-61).

Применение устойчиво работающих конусных волноводов из ВТ6-1 позволило обрабатывать ленты со скоростью протяжки до 30—40 м/мин. Были оптимизированы технологические режимы УЗМ для получения заданных толщин покрытий из ПОССу-40-2 на медной ленте при названных скоростях протяжки.

Недостаток данных по коррозионной стойкости металлических покрытий на алюминиевых сплавах и их полное отсутствие при получении покрытий по способу УЗМ вынудили исследовать несколько групп припоев на основе двойных систем Бп—РЬ, Бп—2п, 2п—А1, А1—с легирующими элементами, всего более 30 типов. Были также рассмотрены особенности УЗМ лент из сплавов АМг5 и АМц. Оптимальные покрытия, сплошные и равномерные, обладают достаточным сцеплением с основой при технологических испытаниях на изгиб, характеризуются мелким зерном. Максимальная микротвердость у покрытий из —А1 сплава и составляет около 600 Н/мм2.

Характер изменения толщины покрытий па алюминии в процессе УЗМ аналогичен зависимостям для медной ленты. Время обработки, необходимое для получения качественных покрытий с коэффициентом металлизации Кмет=1, находится в зависимости от присутствия в расплаве добавок, растворимых в алюминии. Добавки 2п к Бп—2п распла-

вам повышают качество покрытии при уменьшении перегрева, по в количествах свыше 1,5 % по массе резко увеличивают опасность разрушения лент при протяжке. Изучение распределения ¡элементов в Sn—Zn покрытиях с добавками Ga показало, что он, как и алюминий, равномерно распределен по объему. Максимальное содержание Zn — возле границы соединения, а олово оттесняется к поверхности покрытия.

Рассмотрение особенностей УЗМ алюминиевых лет показало, чтс наибольшую сложность вызывает поиск приемлемого соотношения меж ду интенсивностью ультразвукового воздействия и вызываемым им изменением растворимости лент в активных расплавах для получения покрытий высокого качества. Важное значение при этом имеет способ ввода ультразвука в обрабатываемую среду. Оптимальным для обработки ленточных подложек оказался способ щелевой насадки. Он по зволяет создать плотность ультразвуковой энергии порядка 10—2( Вт/см2. В щели насадки совместно протекают явления, инициируемые нелинейными эффектами мощного ультразвука. Происходит кавитацион ное микроразрушение поверхности металлизируемого тела, акустнческш течения рассеивают продукты разрушения твердого тела в расплаве i осуществляются интенсифицированные элементарные акты смачивапш ювенильной поверхности с последующим растворно-днффузнопиым вза имодействием расплава с лептой. При наличии смачиваемости лент; движется в расплаве с гидродинамическим пограничным слоем, толщин; которого определяется критерием Re. В зоне выхода ленты из ваши устанавливаются динамические углы оттекаппя расплава. Толщину по крытия определяют процессы на границе раздела расплав—атмосфер;1 Использование гидродинамической теории Левича—Дерягнна позьоляе оценить толщину формирующихся покрытий в условиях свободпокоивек тивного теплообмена. При отклонении направления движения лепты о вертикального нарушается симметричность профиля, появляется ра:< нотолщинность покрытия по обе стороны ленты. При наличии смачива емости (Cos 0=1), толщина формируемого покрытия не зависит о воздействия УЗК, максимально составляя около 200 мкм (что достиг? ется при небольших значениях скорости протяжки), и активное рег\ лирование толщины покрытий позволяет максимально использовать э(| фектпвность ультразвукового смачивания и снизить время обработки д 0,01—0,02 с. Скорость растекания большого значения ие имеет, так ка при скоростях акустических потоков в припое около 0,05 м/с (минимал! ное значение, без учета скорости кумулятивных струек от кавитационны пузырьков, которая доходит до 20 м/с) за время совершения злементар ного акта смачивания (t=0,02 с) расплав пройдет расстояние окол 1 мм, что значительно превышает расстояния между мостиками сцег леиия.

Особенность пайки и металлизации алюминия заключается в то? что для их реализации необходимо удалять окпеную пленку для ос} ществления смачивания п формирования адгезионного контакта, тогл как сама пленка обладает, при достаточной толщине, высокой корроз1 ошюй стойкостью. Снизить активность алюминия нельзя, но возможг

создание паяемого барьерного слоя между металлическим покрытием и окислом на алюминии.

Результаты экспериментов по ультразвуковому смачиванию нитридов на поверхности алюминия показали возможность создания промежуточного барьерного слоя между металлическим покрытием и окнепой пленкой на алюминии. Такой слой должен быть термодинамически устойчивым в коррозионном отношении и в. то же время достаточно металлоподобпым. Как показали коррознонпые испытания, отправной точкой в разработке этого направления УЗМ могут служить тонкие покрытия из карбидов, нитридов, оксидов тугоплавких металлов, наносимые методами физического осаждения, из которых были выбраны для УЗМ нитриды.

Было проведено изучение ультразвуковой металлизации алюминиевых лент с баоьерными покрытиями из пптрпдпых фаз и коррозионные испытания в 3%-ном растворе ЫаС1.

Отличительным признаком коррозионного поведения таких многостопных покрытий является отсутствие щелевой коппозии и отслаивания покрытий. характерное для чисто металлических покрытий. Относительная стойкость таких многослойных покрытий выше коррозионной стойкости известных металлических покрытий на алюминии и алюминия без ппкпытия и приближается к достаточно высокой стойкости луженой меди. П'М1 -«том большое значение имеет выбор оптимального состава барьеп-юго покрытия. Более высокую коррозионную стойкость показали но-чоытпя с барьерным слоем из (Т1-|-Сг)М.

Рассмотрение термодинамических условий образования нитритов металлов показывает, что более отрицательное значение изобаопо-пзо-гепмического потенциала, по отношению к нитриду титана, свидетельствующее о высоком химическом сродстве металла с неметаллом, характерно для Б!, Ве, Ва, М«\ Ъх и их можно. рекомендовать в качестве леж'Ьазноактивных добавок к низкотемпературным припоям для улуч-иепня смачивания при проведении ультразвуковой металлизации.

Наряду с другими исследованиями физических механизмов иозлеп-•лшш мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов и ¡азработапнымп технологическими процессами, в настоящее время со-:ланы предпосылки комплексного применения ультразвуковых техноло-пй в едином производственном цикле изготовления теплообмепных ¡ппаратов.

Основным элементом пластинчатого теплообменника является сек-щя, состоящая из ряда труб с набранным на них оребрением. Оребэение уготавливается из металлической ленты. В работе была предложена синологическая схема, "предусматривающая нанесение защитного' по-:рытия не на собранную секцию, а раздельно на ленту и трубы. Таксе азделеппе позволяет автоматизировать процесс нанесения защитны" :окрытпн н с применением метода активного регулирования, получать желаемые толщины защитных покрытий, избегая перерасхода дефпннт-ых припоев.

Покрытия наносят методом ультразвуковой металлизации. Для обеспечения надежной работы и восполнения потерь тепла предлагается использовать керамическую ванну с индукционным нагревом. Такие ванны устойчивы в расплавах и к действию кавитационной эрозии.

Щелевой зазор создается с помощью двух встречных волноводов, что позволяет регулировать расстояние между лентой и излучающей поверхностью, применять ленту различной толщины. Источником колебаний служат тиристорные генераторы УЗГЗ-10 или УЗГ2-4 М с магнито-стрикционными преобразователями ПМС-15А-18. Волноводы лучше изготавливать из кавитационно-устойчивых титановых сплавов. Колебательная система должна иметь на холостом ходу амплитуды смещения не менее 15 мкм. Движение ленты осуществляется перпендикулярно зер калу Расплава через зазор между волноводами. Применение подвижных поворотных столов с горизонтальным и вертикальным перемещением акустической системы позволяет эффективно подстраивать колебательную систему.

Аналогичным образом проводится и УЗМ труб, только трубы вводятся через отверстие в стенке ванны и кольцо-втулку, изготавливаемую из материала, не смачиваемого расплавом.

Непрерывное нанесение защитного покрытия на трубы, разматывающиеся из бухты, позволяет экономить до 10—15 % труб. Излишки припоя удаляются в устройстве струйного регулирования толщины покрытий. Управление процессом заключается в поддержании зависимости массы покрытия ох давления воздуха в сопле и скорости ленты. Завершающей стадией формирования покрытия является кристаллизация расплава, осуществляемая в ультразвуковом кристаллизаторе. Для получения более качественных покрытий нзгибные УЗК вводятся в ленту Ггрубу) в точке, где температура несколько ниже температуры солидус. Для регулирования и, в частности, увеличения скорости затвердевании используется водяное орошение. Возможна также термическая обработка ленты. Подготовка поверхности ленты (трубы) к пайке и металлизации является важным этапом всего технологического процесса. Ее эффективно можно провести в ваннах ультразвуковой очистки. По аналогии с установками УЗМ сохраняется принцип щелевого зазора между излучателем и лентой (трубой). В этом случае используются те же колебательные системы.

В производстве теплообменных аппаратов широко используются медные и медноникелевые трубы. Входной контроль качества труС осуществляется разрушающим методом технологической пробой — развальцовкой в «колокольчик». При этом в отход идет около 8—10 % труб, тогда как гидравлические испытания отбракованных труб показа ли, что они выдерживают давление до 300 атм без увеличения диаметра а разрушаются при давлении более 800 атм (рабочее давление не боле< 75 атм), т. е. являются вполне пригодными. Замена разрушающею ме тода контроля качества на неразрушающий метод контроля позволяс существенно снизить расход труб. В результате проведенного авторо? поиска разработан эффективный технологический процесс ультразвуко 16

ого контроля. Как показала опытная проверка, внедрение ультразву-зрого контроля позволяет снизить до разумных пределов прочность зуб, уменьшив толщину труб на 20—30 %. При годовой программе злее 100 тонн упомянутых марок труб это позволит снизить металло-лкость теплообмеиных аппаратов на 10 %.

Для УЗ контроля были рекомендованы автоматизированные уста-эвки, позволяющие осуществлять комплексный контроль как дефектов структуры, так и толщин покрытий.

Наложение УЗ К на инструмент для раздачи труб в «колокольчик» эзволяет уменьшить усилия деформации и перейти к более тонкостен-зтм трубам.

Возвратные колена в соединении типа «колокольчик» после набора кшш теплообменпых аппаратов паяют в ваннах для ультразвуковой

1йки.

В данной схеме Формирования покрытий целесообразно введение :тановок физического осаждения покрытий, что необходимо пои нане-нии многокомпонентных покрытий с длительным сроком службы.

Компоновка ультразвукового оборудования в технологической схе-: производства судовых теплообмеиных аппаратов позволяет проводить едующне основные операции с использованием ультразвука: очистку, ¡таллпзацию, кристаллизацию, контроль толщины, раздачу труб, пайку звратпых колен.

Комплексное использование ультразвуковой техники и технологий зволяет значительно повысить производительность труда, снизить се-стоимость изделий н улучшить их качество. Разработанный технологи-скип процесс ультразвуковой металлизации медной ленты для оребре-я теплообменников позволяет снизить расход оловяпно-свннновых приев. При замене медного на алюминиевое оребрение с использованием зработаиного технологического процесса нанесения покрытий сннжа-:я масса теплообменников и их стоимость.

ВЫВОДЫ

1. Исследовано смачивание и растекание легкоплавких металлов , 1п, Бп, В], РЬ, 1п, БЬ, сплавов систем 5п—РЬ, Бп—БЬ, РЬ— 5Ь, —2п, Ъ\л—А1 по меди и алюминию в ультразвуковом поле и без сто пожения. Показано, что УЗ К интенсифицируют процесс. Обнаружено. ) для сплавов наблюдается более высокая растекаемость (в 3—5 раз) 1 действием УЗК, чем для одиокомпонентных расплавов. Выдвинуто здположсние о влиянии на растекаемость сжимаемости расплавов, пз-чяющейся в ультразвуковом поле. Подробно рассмотрены факторы, ¡яющне па распространение расплавов металлов по металлическим рдым телам, предложен возможный механизм воздействия ультразву-иа процесс смачивания и аналитическое выражение для описания

этразвукового смачивания.

2. Разработана методика и схема установки для изучения взапмо-[ствия расплавов с твердыми телами с иммерсионным подводом УЗК.

Проведены эксперименты, которые показали перспективность данной методики.

3. Изучены особенности взаимодействия металлических расплавов с твердыми телами Обнаружено ускорение растворно-диффузионного и межзеренного проникновения расплавов наряду с поверхностно-диффузионным распространением в 1,5—2 раза. Повышение растворимости в ультразвуковом поле приостанавливает растекание расплавов на алюминии.

4. Исследованы особенности УЗМ алюминиевых и медных лент. Показана доминирующая роль нелинейных эффектов при формированш качественных покрытий. Определены оптимальные составы и режимь УЗМ алюминиевых и медных лент. Рассмотрена возможность созданш многокомпонентных покрытий при сочетании методов физического осаж дения покрытий и ультразвуковой металлизации.

5. Изучена коррозионная стойкость в 3%-ном растворе №С1 боле( 30 типов покрытий, полученных УЗМ на А1, Си, ЫЬ. Рассмотрено влия ние УЗК на коррозионную стойкость покрытий. Отмечено влияние режи мов нанесения покрытия на коррозионную стойкость.

6. Разработан эффективный и высокопроизводительный технологи ческий процесс УЗМ элементов конструкции теплообмеиных аппаратог

7. Разработаны основы комплексного применения ультразвуково техники и технологии в производстве теплообмеиных аппаратов. Разрг ботана принципиальная схема компоновки оборудования. Показана э4 фективпость применения ультразвука на многих стадиях изготовлени теплообмеиных аппаратов.

В настоящее время в производство внедряются результаты нсслед( ванпя и ведутся дальнейшие работы по поставленным в диссертации в< просам. Основное содержание диссертации опубликовано в следхкши работах.

1. Исследование ультразвуковой металлизации алюминия. / Абр мов О. В., Корчевский Н. В., Коновалов Н. Т. — Тез докл. Всесоюзнс научно-технической конференции «Новые разработки в области ул тразвуковой техники и технологии в машиностроении». Новосибпрс 1989 г.

Автором проведено экспериментальное исследование.

2. Исследование смачиваемости алюминия легкоплавкими прип ями под влиянием ультразвука. / Абрамов О. В., Корчевский Н. I Коновалов Н. Т., Кистерев Э. В. — Тез. докл. Всесоюзного научно симпозиума «Акустическая кавитация и проблемы интенсификации тс нологических процессов». Одесса, 1989 г.

Автор провел экспериментальное исследование и рассмотрел ро нелинейных эффектов мощного ультразвука при растекании припоев

3. Проведение НИР по совершенствованию технологии производст оборудования кондиционирования воздуха с экспериментальной пров! кой и отработкой отдельных технологий, элементов с целью повышен технического уровня производства, снижения затрат ручного труда, вышения производительности. Часть V. / Тищенко Н. В., Цегель,цый А. 18