Ресурсосберегающая технология изготовления бессвинцового припоя экструзией

Сплавы системы Sn–Pb широко распространены в качестве легкоплавких припоев при низкотемпературной пайке. Промышленностью используются сплавы, в которых может содержаться от 10 до 90 % свинца. Изменяя соотношение свинца к олову, получают припои с температурой плавления от 190 °С (ПОС-61) до 299 °С (ПОС-10) [1, 2]. При пайке оцинкованных деталей используют сплав, легированный сурьмой ПОССУ-61-0.5 [2].

Экологическая повестка, которая стала одним из стратегических ориентиров развития экономики и общества в мире, затронула и электротехническую промышленность [3–5]. Свинец согласно большому числу исследований [6, 7] оказывает негативное влияние не только на здоровье человека [8], но и окружающую среду [9, 10].

В 2006 году вступило в силу постановление Евросоюза (EU–WEEE, Waste from Electrical and Electronic Equipment), ограничивающее использование припоев с содержанием свинца электротехнической промышленностью [11]. Аналогичные правила применяются в США [12]. По мнению экологов, изъятие свинца из производства бытовой, промышленной, телекоммуникационной и другой техники должно способствовать улучшению окружающей среды [13]. По их мнению, размещение на полигонах (свалках) отслуживших свой срок изделий радиоэлектронной промышленности, содержащих свинцовый припой, ухудшает экологическую ситуацию. Свинец после утилизации компьютеров, мониторов, телевизоров, радиоприемников, игрушек и др. попадает в почву и впоследствии в пищевую цепь [14]. В связи с этим большинст- во ведущих корпораций ставят отказ от свинца в списки первоочередных задач [15, 16]. Бессвинцовая пайка имеет, несомненно, и коммерческую перспективу. Производители «зеленых изделий» могут претендовать на повышение объема продаж своей продукции.

В качестве бессвинцовистых припоев рассматриваются сплавы на основе олова с добавлением в него Ag, Cu, Bi, Zn, In и других металлов [17–20]. Некоторые исследователи в качестве припоев рекомендуют использовать трех- и четырехкомпонентные сплавы [21–25].

Припои системы In–Sn являются перспективными и уже достаточно хорошо себя зарекомендовавшими для применения в качестве соединительных материалов в электротехнической и особенно в аэрокосмической технике. Припои на основе индия считаются более надежными при длительных термических циклах, поскольку доказано, что они сохраняют хорошую пластичность даже в криогенных условиях [26]. Индий является чрезвычайно мягким металлом с временным сопротивлением разрыву 1,6 МПа и относительным удлинением 60 % при комнатной температуре [27]. Эвтектический сплав системы In–Sn, который соответствует химическому составу 52In–48Sn (ПОИн-52), имеет температуру плавления 120 °С, временное сопротивление разрыву 11–13 МПа и относительное удлинение 32–34 % [17].

В России индий добывается совместно с цинком и в чистом виде получается из отходов и промежуточных продуктов цинкового и свинцового производств. АО «Челябинский цинковый завод», являясь одним из основных производителей цинка в России, как сопутствующий продукт производит индий, который реализует на рынке в виде сырья. Глубокая переработка и получение готовой продукции из индия является экономически обоснованной задачей для АО «ЧЦЗ».

Традиционная технологическая схема производства припоев состоит из следующих этапов: приготовление сплава, отливка слитков (диаметром 100–200 мм), прессование, волочение на требуемый диаметр [28]. В некоторых случаях между прессованием и волочением может быть применена прокатка заготовки. Такая технология получения припоя требует большого парка оборудования, но и зачастую сопровождается проблемами, связанными со стабильностью процесса волочения.

В связи с вышесказанным в настоящей работе разрабатывается ресурсосберегающая технология изготовления бессвинцового припоя на основе метода прямой экструзии.

Определение энергосиловых параметров прямой экструзии прутков и проволоки

Для обоснованного выбора оборудования для прямой экструзии и последующего проектирования технологической оснастки необходимо рассчитать энергосиловые параметры процесса. Математическая модель является традиционным инструментом, который позволяет решать такие задачи оперативно и с учетом всех особенностей анализируемого процесса. Экструзия характеризуется очагом деформации (рис. 1) и усилием F , которое складывается из усилия на деформацию материала F _деф и усилия на преодоление трения на контакте заготовки и инструмента F _тр :

F = F ж + деф тр .

Рис. 1. Очаг деформации при прямой экструзии Fig. 1. Point of deformation during direct extrusion

Таблица 1

Технологические параметры экструзии прутков и проволоки из сплава 52In–48Sn (ПОИн-52)

Table 1

Technological parameters of rod and wire extrusion from alloy 52In–48Sn (POIn-52)

Параметр	Размерность	Величина
		эксп. 1	эксп. 2	эксп. 3
Исходные данные
Диаметр заготовки (прутка), D заг	мм	30	30	20
Диаметр прутка (проволоки), D пр	мм	15	8	2
Длина заготовки, L заг	мм	120	120	120
Диаметр контейнера, D кон	мм	31	32	21,8
Скорость прессования, V пр	мм/с	12	3,5	0,5
Сопротивление деформации заготовки, σ S ср	МПа	10,5	10,5	10,5
Угол матрицы, 2α	°	67	80	37
Длина калибрующего пояска, L кп	мм	5	5	5
Коэффициент трения, f	–	0,5	0,5	0,5
Результаты расчета
Коэффициент вытяжки, μ	–	4,3	16,0	118,8
Скорость истечения, V ист	мм/с	51	56	59
Усилие в момент начала экструзии, F н	кН	92,8	106	105
Усилие в момент завершения экструзии, F к	кН	41,0	51,3	71,9
Усилия деформации, F деф	Н	31 647	46 848	65 784
Сила трения, F тр	Н	61 171	59 168	39 384
в контейнере F трI	Н	57 432	55 637	36 297
в матрице F трII	Н	2621	2935	2938
в калибрующем пояске F трIII	Н	1119	597	149

Усилие на преодоление трения F _тр определяется геометрией очага деформации (см. рис. 1) и состоит из трех частей – усилия, направленного на преодоление трения скольжения обрабатываемого металла о контейнер F _трI , о поверхность матрицы F _трII и о калибрующий поясок матрицы F _трIII .

Усилие деформации Fдеф зависит от физико-механических свойств материала, степени деформации и геометрических параметров очага деформации. Разработанная на основе этих принципов математическая модель подробно описана в работе [29]. На базе математического описания процесса была разработана программа для ЭВМ [30], позволяющая рассчитывать деформационные режимы и оценивать энергосиловые параметры экструзии. На основе математического моделирования в программе «Расчет энергосиловых и температурно-скоростных параметров прямого прессования легкоплавких сплавов» для экструзии прутков диаметром 15,0 и 8,0 мм, а также проволоки диаметром 2,0 мм были определены технологические параметры, приведенные в табл. 1.

Как следует из расчетов, максимальные усилия при экструзии составляют 106 кН, именно их необходимо учитывать при выборе оборудования и проектировании технологической оснастки.

Исследование температурноскоростных условий экструзии прутков и проволоки

В процессе холодной пластической деформации металл за счет контактного трения и деформации разогревается [31]. Учитывая высокие степени деформации при экструзии и низкую температуру плавления сплава 52In–48Sn (ПОИн-52), необходимо оценить температурно-скоростные условия и их влияние на стабильность процесса и качество готовой продукции. Для решения такой задачи целесообразно применить компьютерное моделирование в пакете QForm [32]. Это позволяет оценить не только среднюю температуру, но и распределение температур по сечению проволоки или прутка. Подробно методика проведения числовых экспериментов по исследованию температуры при экструзии приведена в работе [33]. Пример моделирования температуры при экструзии прутка ∅8,0 мм со скоростью прессования 3 мм/с приведен на рис. 2. Максимальные температуры в прутках ∅8,0 и ∅15,0 мм и проволоке ∅2,0 мм при одном цикле экструзии приведены в табл. 2. Полунепрерывная экструзия приводит к разогреву технологической оснастки (рис. 3) и как следствие – к некоторому дополнительному повышению температуры проволоки и прутка. Проанализировав результаты численных экспериментов, установили, что при скоростях прессования, которые технически могут быть реализованы на вертикальном гидравлическом прессе (при скорости прессования Vпр = 3 мм/с скорость истечения Vист проволоки ∅2,0 мм из матрицы достигнет 356,4 мм/с), после третьего цикла температуры матрицы и контейнера стабилизируются. Температура матрицы не превышает 80 °С, а контейнера – 31 °С. Проведенные исследования позволяют предполагать, что технологически процесс экструзии на анализируемых режимах для всех типоразмеров продукции реализуем. Разогрев сплава выше температур плавления не наблюдается, отсутствуют причины для потери стабильности процесса и снижения качества готовой продукции.

а)                                                                 b)

Рис. 2. Анализ температурного поля (a) и изменения температуры во времени в точках 1–8 (b) при экструзии прутка ∅ 8,0 мм в пакете QForm

Fig. 2. Analysis of the temperature field (a) and temperature changes over time at points 1–8 (b) during extrusion of a ∅ 8.0 mm rod in the QForm package

Таблица 2

Максимальные температуры в сечении проволоки (прутка) при экструзии

Table 2

Maximum temperatures in the cross section of the wire (rod) during extrusion

Диаметр D пр , мм	Скорость прессования V пр , мм/с
	0,5	1	3
2,0	33,4	44,0	75,8
8,0	22,5	24,7	30,0
15,0	21,1	22,3	25,5

О            20           40           60           80           100          120

Время, с

Минимальное значение ---Максимальное значение — Математическое ожидание а)

b)

Рис. 3. Изменение температуры матрицы (a) и контейнера (b) при полунепрерывной экструзии проволоки ∅ 2,0 мм со скоростью прессования 3 мм/с

Fig. 3. Change in temperature of the matrix (a) and container (b) during semi-continuous extrusion of a ∅ 2.0 mm wire with a pressing speed of 3 mm/s

Разработка технологической оснастки для прямой экструзии прутков и проволоки

В качестве технологической оснастки, устанавливаемой на гидравлический пресс, было спроектировано два устройства (рис. 4). Для обеспечения универсальности технологической оснасти при экструзии проволоки и возможности быстрого перехода с одного диаметра на другой в качестве матрицы используются монолитные волоки требуемого диаметра промышленного изготовления, что обеспечивает высокою износостойкость и низкую себестоимость расходного инструмента.

Прочностной анализ спроектированной оснастки был выполнен в программе SOLIDWORKS Simulation и подробно описан в работах [34, 35]. Результаты анализа показали, что контейнер должен изготавливаться из стали марки с прочностными свойствами не ниже чем у 30ХМ. Это позволит обеспечить запас прочности конструкции не менее 2, что

а)

b)

Рис. 4. Технологическая оснастка для экструзии прутка (a) и проволоки (b) Fig. 4. Technological equipment for extrusion of rod (a) and wire (b)

является достаточным для технологической оснастки металлургического оборудования. Пресс-штемпель из стали марки У8 имеет запас прочности 2,1. Конструкторское решение по использованию монолитной волоки в качестве матрицы для прессования, с точки зрения прочностного анализа ее работы, оказалось верным. Волока из сплава ВК6 в оправке из стали марки 45 не является элементом, снижающим общий прочностной запас оснастки. Коэффициент запаса прочности твердосплавной волоки составит 5,7.

Производство опытной партии прутков и проволоки из сплава ПОИн-52

В качестве оборудования для организации мелкосерийного производства использовался гидравлический пресс марки Д2428, оснащенный системой сбора данных и позволяющий измерять усилие прессования (рис. 5), что позволило верифицировать разработанную математическую модель [36], экспериментально определить коэффициенты трения при применении различных технологических смазок [37].

Сплав, соответствующий требованиям ТУ 48-0220-40-90 «Сплавы и припои на основе олова, свинца и индия для полупроводниковой техники», выплавлен АО «ЧЦЗ» и в виде слитков по договору предоставлен для изготовления опытной партии прутков ∅ 8,0 и ∅ 15,0 мм длиной 200 мм, а также проволоки ∅ 2,0 мм со смоткой в катушки с массой припоя 100 ∓ 5.

Отлитую в лабораторных условиях заготовку ∅ 20,0 мм прессовали в проволоку ∅ 2,0 мм. Смотка проволоки на катушки осуществлялась с применением намоточного устройства. Из заготовки ∅ 30,0 мм методом прямой экструзии получали непрерывные прутки ∅ 8,0 и ∅ 15,0 мм, которые впоследствии рубили на мерную длину в соответствии с требованиями заказчика. В процессе изготовления проволоки контролировали температуру и энергосиловые параметры. Исследования трения в процессе прессования показали перспективность применения смазочных материалов. В ходе экспериментальных и аналитических исследований установлено [37], что применение смазочных материалов, а именно графитовой (графит – С) и молибденовой (дисульфид молибдена – MoS 2 ) смазки, позволяет снизить коэффициент трения более чем в 10 раз. Результаты экспериментальных замеров показали высокую сходимость с результатами компьютерного и математического моделирования. Микроструктурный анализ и энергодисперсионное рентгеноспектральное (ЭДС) картирование готовой проволоки показали (рис. 6), что сплав относится к неупрочняе-мым пластической деформацией при комнатной температуре сплавам. В структуре как до, так и после деформации наблюдаем эвтектическую смесь двух фаз, а именно β-In 3 Sn и γ-InSn 4 .

а)                                                                  b)

Рис. 5. Схема (a) и фото (b) гидравлического пресса марки Д2428: 1 – главный цилиндр; 2 – шток; 3 – станина; 4 – рабочий стол; 5 – пульт управления; 6 – манометр; 7 – ползун; 8 – маслостанция; 9 – монитор; 10 – блок управления и сбора данных; 11 – оснастка для экструзии

Fig. 5. Diagram (a) and photo (b) of a hydraulic press of the D2428 brand: 1 – main cylinder; 2 – rod; 3 – bed; 4 – desktop; 5 – control panel; 6 – pressure gauge; 7 – slider; 8 – oil station; 9 – monitor; 10 – control and data acquisition unit;

11 – equipment for extrusion

Рис. 6. Энергодисперсионное рентгеноспектральное (ЭДС) картирование образцов готовой продукции из сплава 52In–48Sn (ПОИн-52)

Fig. 6. Energy dispersive X-ray spectral (EDS) mapping of samples of finished products from the 52In–48Sn alloy (POIn-52)

Изготовление прутков ∅15,0 мм из заготовки ∅30,0 мм в контейнере ∅31,0 мм, а также проволоки ∅2,0 мм из заготовки ∅20,0 мм в контейнере ∅21,8 мм не сопровождалось образованием дефектов и проходило стабильно. При изготовлении прутков ∅8,0 мм из заготовки ∅30,0 мм в контейнере ∅32,0 мм наблюдался дефект поверхности «воздушные пузыри». Проведение дополнительных исследований с помощью компьютерного моделирования в пакете QForm позволило установить [38], что причиной образования выпуклости на поверхности готового изделия, заполненной воздухом, является чрезмерный зазор между контейнером и заготовкой. В процессе осадки заготовки объем воздуха запирается в контейнере и поступает внутрь сплава. Для устранения этого дефекта была отлита заготовка ∅31,0 мм. Уменьшение зазора между контейнером и заготовкой до 0,5 мм позволило получить прутки с высоким качеством поверхности. По разработанной технологии изготовлена партия в количестве 100 кг проволочного припоя ∅2,0 мм с намоткой на катушки с массой припоя 100 ∓ 5 г и 150 кг пруткового ∅8,0 мм для АО «Челябинский цинковый завод». Образцы готовой продукции представлены на рис. 7.

а)

b)

Рис. 7. Готовая проволока ∅ 2,0 мм (a) и пруток ∅ 8,0 мм (b) Fig. 7. Finished wire ∅ 2.0 mm (a) and rod ∅ 8.0 mm (b)

Заключение

Разработана технология изготовления бессвинцового пруткового и проволочного припоя методом прямой экструзии. С помощью математической модели прямой экструзии и программы для ЭВМ, написанной на ее основе, определены деформационные и энергосиловые параметры изготовления прутков ∅8,0 и ∅15,0 мм и проволоки ∅2,0 мм из сплава 52In–48Sn (ПОИн-52). По результатам расчетов максимальные усилия экструзии при изготовлении указанного сортамента составляют 106 кН, что было учтено при выборе оборудования и проектировании технологической оснастки. С помощью компьютерного моделирования в пакете QForm определены температурно-скоростные условия экструзии прутков и проволоки. Установлено, что технологически процесс экструзии на анализируемых режимах для всех типоразмеров продукции реализуем. Разогрев сплава выше температур плавления не наблюдается, отсутствуют причины для потери стабильности процесса и снижения качества готовой продукции. Прочностной анализ технологической оснастки для изготовления прутков и проволоки, спроектированной по результатам расчетов, показал запас прочности более 2,1, что считается достаточным для металлургического оборудования. По разработанной технологии изготовлена опытная партия в количестве 100 кг проволочного припоя ∅2,0 мм с намоткой на катушки и 150 кг пруткового ∅8,0 мм для АО «Челябинский цинковый завод».