Состав материалов для приготовления упрочняющих паст

Изобретение относится к диффузионно-твердеющим пастам на основе галлия и может быть использовано в электронике, машиностроении и строительстве, например, для создания неразъемных соединений. Паста содержит порошки сплавов неравновесного состава с избытком металлов, способных к диффузионному твердению и термореагированию при нагреве с галлием. В пасте используют галлий, предварительно насыщенный азотом при давлении газа не менее 5 МПа и температуре, равной температуре плавления галлия. При этом минимальное содержание галлия по весу составляет 30-60%, температура диффузионного твердения пасты составляет от 29,7 до 700°С, а временной интервал от 2 до 8 часов. Технический результат - повышение прочности пасты.

 

Предлагаемое изобретение относится к электронике, машиностроению, строительству и может быть использовано при получении неразъемных соединений. Известны технические решения, в которых неразъемные соединения получают с помощью песчанно-цементных смесей (растворов) [1].

Недостатком известного технического решения является низкая теплопроводность и трудность получения неразъемного соединения в микрообъемах, например в микротрещинах ответственных строительных объектов (нефтяных резервуаров) и т.д.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению являются пасты на основе галлия в смеси с медью, алюминием и т.д. [2].

Недостатком известного технического решения является низкая прочность пасты и соединения.

Цель изобретения - повышение прочности пасты после диффузионного твердения. Поставленная задача решается тем, что в пасте на основе галлия в смеси с порошками меди, алюминия и т.д., используют порошки металлов неравновесного состава с избытком меди, алюминия и других металлов, способных к диффузионному твердению с галлием и термореагированию при нагреве с металлом основы, причем галлий перед приготовлением смеси насыщают азотом при давлении газа не менее 5 МПа и температуре, равной 29,7°С или выше, и при этом минимальное содержание по весу галлия составляет 30%, а максимальное 60%, а температура диффузионного твердения составляет от 29,7 до 700°С, а временной интервал от 2 до 8 часов.

Технические характеристики использованных материалов

Технический галлий ГОСТ 12797-77, температура плавления 29,7°С, плотность 6,09 г/см³ насыщают при температуре плавления или выше при давлении азота не менее при Р=5 МПа или выше.

В экспериментах использовались металлические порошки, способные к термореагированию при нагреве и диффузионному твердению в смеси с галлием. Например, марки ПГ-10Н-01 и ПТ-10Н-01 и др.

Фундаментальными свойствами галлиевых паст являются:

1) способность к диффузионному твердению, включая водную среду;

2) способность смачивать оксиды, нитриды, металлы и т.д. при температуре около 29,7°С и выше;

3) способность реагировать (растворять) оксиды, металлы, газы и т.д.;

4) способность увеличивать объем при диффузионном твердении.

Примеры составов галлиевых паст для получения неразъемных соединений и герметизации строительных конструкций

Пример №1. Готовим пасту для получения неразъемного соединения строительных конструкции (нефтехранилищ при их ремонте в условиях высокой пожароопасности) или изделий электронной техники, нагрев которых выше 120°С недопустим из-за потери функциональных и технологических свойств. Состав пасты: 60% галлия, насыщенного азотом, и 40% диффузионно-твердеющего порошка на основе меди или никеля, способных к диффузионному твердению и термореагированию при нагреве, используют порошок неравновесного состава с избытком алюминия 10-12%, никеля 1,5-2%, железа 4-7% марки ПТ 01-19М и диффузионное твердение проводим при температуре 29,7-120°С с нагревом перегретым паром, кварцевыми лампами и др. беспламенными средствами нагрева. Нанесение паст в электронике проводят механическими способами с использованием ультразвуковых паяльников, а в строительстве (при герметизации нефтехранилищ) с использованием струйных методов, где носителем являются трихлорэтилен или вода и другие негорючие носители. Прочность соединения составляет 20-25 МПа. По мнению авторов, увеличение прочности соединения объясняется синтезом нитридов алюминия, никеля, железа, а также взаимодействием избыточного галлия с соединяющими поверхностями. Упрочнение соединения обеспечивается диффузионным твердением. Термореагирование блокируется избыточным галлием.

Пример №2. Готовим пасту для получения неразъемного соединения строительных конструкций при герметизации их от грунтовых вод и в электронике при получении неразъемных соединений, нагрев которых выше 450°С недопустим. Состав пасты составляет 45-50% (по весу) насыщенного азотом галлия и 50-55% диффузионно-твердеющего порошка на основе меди, никеля и др., способных к диффузионному твердению в смеси с галлием и термореагированию при нагреве, используют порошки неравновесного состава с избытком алюминия 10-12%, никеля 1,5-2%, железа 4-7% марки ПТ 01-19М. Диффузионное твердение проводим при температуре от 29,7°С. Герметизации подвергались строительные конструкции от воздействия грунтовых вод с нагревом шва до 120°С и элементы электронной техники при получении неразъемных соединений металлов между собой или других материалов с аморфными металлами, нагрев которых выше 300-450°С недопустим. Прочность соединения после диффузионного твердения и частичного термореагирования составляет 25-35 МПа.

Авторы объясняют увеличение прочности соединения за счет термореагирования частиц в микрообъемах в порошках гранулометрического состава 100-150 мкм.

Пример №3. Готовим пасту для упрочнения строительной конструкции или для монтажа (производства) изделий электронной техники, нагрев которых выше 700°С недопустим из-за потери функциональных и технологических свойств. Состав пасты: 30% галлия, насыщенного азотом, и 70% диффузионно-твердеющего порошка на основе меди и никеля, способных к диффузионному твердению и термореагированию при нагреве, используют порошок неравновесного состава с избытком алюминия 10-12%, никеля 1,5-2%, железа 4-7% марки ПТ01-19М, а диффузионное твердение проводим при температуре 450-700°С. Прочность соединения составляет 35-50 МПа. Авторы объясняют увеличение прочности за счет термореагирования, а галлий не блокирует процесс термореагирования, но обеспечивает высокую адгезию за счет взаимодействия с обрабатываемым металлом (материалом).

Физика процесса

Как было указано выше, галлий способен растворять в себе газы, при этом, например, азот переходит из атомарного состояния в молекулярное. При этом азот из нейтрального газа переходит в чрезвычайно - активное - атомарное состояние. В технике известны технические решения, в которых молекулярный водород при температуре 570°С переходит через палладий или его сплавы из молекулярного состояния в атомарное и при рекомбинации выделяет в 17 раз больше энергии, чем при соединении кислорода с водородом [3]. Это происходит за счет внутренней энергии катализатора (палладия). В заявляемом техническом решении роль катализатора выполняет галлий. Растворяя в себе азот, превращая его в атомарный, одновременно он растворяет все металлы в себе, входящие в состав порошка. Кинетически при этом избыточный алюминий, железо и т.д. должны соединиться вначале с кислородом. Однако направление реакции изменено за счет изоляции алюминия от кислорода, за счет герметизации его галлием, при этом синтезируются нитриды металлов, входящих в состав порошка, и за счет внутренней энергии металла катализатора.

Насыщение галлия азотом позволяет изменить направление реакций синтеза интерметаллидов (нитридов) при низких температурах за счет внутренней энергии металла катализатора. Использование в качестве диффузионно-твердеющих термореагирующих порошков позволило снизить температуру термореагирования, стабилизировать процесс диффузионного твердения и снизить температуру синтеза металлических нитридов. Все вышеперечисленные отличительные признаки позволяют авторам сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение отвечают критерию "изобретательский уровень", "новизна". Изобретение может быть использовано в космосе, в электронике и при герметизации микротечей с использованием давления как внутри, так и извне, в строительстве при аварийной герметизации строительного объекта от грунтовых вод или при упрочнении в сложнонапряженном состоянии (нефтехранилищ).

Технические и технологические способы и устройства для насыщения галлия азотом в заявляемом техническом решении не обсуждаются, т.к. являются ноу-хау предлагаемого изобретения. Для использования пасты необходимых параметров подготовки галлия достаточно температуры 29,7°С и давления 5 МПа азота для приготовления паст. Также в заявляемом техническом решении не обсуждается вопрос о процентном содержании металлов, обеспечивающих неравновесность состава порошка. Достаточно условия - металл порошка способен к диффузионному твердению и термореагированию.

Список использованных литературных источников

1. Строительная теплотехника. СНиП 11-3-79, стр.17.

2. С.П.Яценко. Галлий. Взаимодействие с металлами. Москва, Издательство «Наука», 1974 г. стр 26-28.

3. Справочник. Водород свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. Под ред. Д.Ю.Гам, Н.Ф.Дубовкин. М.: "Химия" 1989 г. с.672 стр.

Диффузионно-твердеющая паста на основе галлия в смеси с металлическими порошками, отличающаяся тем, что она содержит порошки сплавов неравновесного состава с избытком металлов, способных к диффузионному твердению и термореагированию при нагреве с галлием, предварительно насыщенным азотом при давлении газа не менее 5 МПа и температуре, равной температуре плавления галлия, при этом минимальное содержание галлия по весу составляет 30-60%, температура диффузионного твердения пасты - от 29,7 до 700°С, а временной интервал - от 2 до 8 ч.