Анализ потребительских свойств платинита разных производителей

Аннотация. В представленной работе проведен сравнительный анализ потребительских свойств платинита разных производителей. Рассмотрены как продукция российских предприятий, так и зарубежные аналоги. Установлено, что отечественный платинит, хоть и не сильно отличается по своему составу от зарубежных аналогов, все же уступают им по своим параметрам, таким как физические и технологические свойства, а также качеству поверхности.

Ключевые слова: композиционный материал, биметалл, платинит, коэффициент линейного термического расширения, коэффициент разнотолщинности абсолютный, железоникелевый сплав.

УДК 621.791 Касаткина Е.Г., Мезин И.Ю., Солдатенко А.Ф.

АНАЛИЗ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ПЛАТИНИТА РАЗНЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ

Среди многообразия современных материалов, появление которых диктуется потребностью техники и промышленности, значительное место занимают композиционные материалы (КМ) [1-4]. В современной литературе они рассматриваются как искусственные материалы, создаваемые с целью получения новых служебных свойств из двух или более разнородных компонентов, не обладающих в исходном состоянии этими свойствами. Разнородные компоненты КМ, как правило, имеют определенную форму, распределены по объему композиции в определенной закономерности и разделены между собой выраженной границей [5]. Относя к категории композиционных материалов слоистые (слойные), волокнистые и дисперсные материалы, полагают, что совокупное использование разнородных материалов наделяет композиционные материалы не только повышенной прочностью, но и другими новыми потребительскими свойствами, недостижимыми при отдельном использовании каждого из компонентов [2-3,6]. Примером такого конструирования и использования материалов являются, так называемые, платиниты - материалы, обладающие одинаковым с платиной и стеклом коэффициентом температурного расширения [3,7-9].

В отечественной нормативной документации и технической литературе [2,5,7] принято следующее определение: платинит - биметаллическая проволока, состоящая из железо-никелевого сердечника (58 % железа, 42 % никеля) и нанесенной на него механическим или гальваническим путем медной оболочки.

Именно комбинация материала сердечника и процентное содержание меди в композиции, позволяют получить биметаллические композиционные аналоги, замещающие дорогие природные материалы. Платинит, разработанный в 1913 году в США, нашел широкое применение в качестве токовводов, впаиваемых в стекло при изготовлении электровакуумной аппаратуры и электрических ламп накаливания. По структуре композиции платинит представляет собой биметаллическую проволоку. По назначению он относится к группе материалов с заданным значением коэффициента термического расширения (КЛТР), используемых для изготовления токопроводящих деталей, которые в конструкции прибора жестко и герметично сопрягаются со стеклом, керамикой или другими изоляторами. Требования к геометрии поперечного сечения готовой продукции заключаются в достижении круглой формы ее контура и коаксиальном расположении круглого сердечника [2,5,7].

Отечественным нормативным документом на платинит ОСТ 11 0077-84 в качестве сердечника рекомендованы железоникелевые сплавы следующих марок: 42НГ-ВИ, 42НГ-ВД, 44НГ-ВИ, 44НГ-ВД по ТУ 14-1-1928 и 43Н по ТУ 14-1-2369. В настоящее время для платинита преимущественно используется железоникелевый сплав марки 43Н. Информация о свойствах указанного сплава приведена в табл.1.

Таблица 1

Характеристика свойств сплава 43Н

Марка сплава 43Н

Точка Кюри, оС 330

Температура плавления оС 1425

Электросопротивление, ц Q см 61

1 О Временное сопротивление разрыву ,стВР, МПа 670

О & Предел текучести, стТ, МПа 630

л в н о & о & Относительное удлинение, % 5

« о в о Временное сопротивление разрыву стВР, МПа 500

(D S W о « н Предел текучести, стТ, МПа 300

(D Термо-обработан Относительное удлинение, % 30

X (D £ Модуль Юнга, МПа 145000

Сортамент платинита и области ее применения

Вид продукции, маркировка Состав композиции Нормативный документ Типовое применение, назначение

CLADIMPHY 20-30-40-54 60-70 и 80 % PHILIPS (Голландия) Сердечник: сталь низкоуглеродистая Оболочка: медь, от 20 до 80 % веса ASTM B452 для Clad 30 и Clad 40 Диоды в стеклянном, пластмассовом корпусе, резисторы и др, гальванические электроды, составные ламповые электроды, коаксиальные кабели.

DUMET 42-24 IMPHY (Франция) Сердечник: Fe № 42 Оболочка: медь, 24% - Диоды в стеклянном корпусе, диоды типа Melf, электроды для осветительных и индикаторных ламп.

DUMET 47-19 IMPHY (Франция) Сердечник: Fe № 47 Оболочка: медь, 19% -

ПБВГ (Россия) Сердечник: сталь Св 08А Оболочка: медь, 20% ТУ 14-4-1668-91 Выводы радиодеталей

ПБВГ 0,5 (Россия) Седечник: сталь Св 08А Оболочка: медь, 20-28% ТУ 14-198-117-95

ПБВМ (Россия) Сердечник: сталь Св 08А Оболочка: медь, 30-40% ТУ 14-4-1610-90

ПБР (Россия) Сердечник: кач. констр. сталь Оболочка: медь, 30-40% ТУ 14-4-224-72 Радиочастотные кабели, авиапровода, специальные импульсные микрокабели

ПТ и ПГ (Россия) Сердечник: 42Н Подслой: латунь Л63 Оболочка: медь, 21-30% ОСТ 11 0077-84 Составные выводы радиодеталей

БГТ (Россия) Сердечник: 42Н Оболочка: медь, 3,8-12,0% веса ТУ Яе0020. 008 Составные ламповые электроды

Для улучшения спаиваемости со стеклом на заключительном этапе изготовления платинита на отечественных предприятиях производится его борирование, в результате которого на медной поверхности формируется тонкий борнозакисный слой, состоящий из безводного борнозакисного калия и закиси меди. За рубежом, наряду с борированным платинитом, производят платинит оксидированный, имею-

В зависимости от конкретного назначения коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) таких материалов должен иметь очень малые или очень большие значения и быть равным КЛТР стекла или другого сопрягаемого материала [2]. Платинит по значению КЛТР соответствует силикатным стеклам платиновой группы. В отечественной промышленности платинит производится с использованием двух способов, регламентированных ОСТ 11 0077-84, нанесения оболочки: трубчатым и гальваническим.

Структура производственного процесса приведена на рис. 1. Сортамент платинита и области его применения представлены в табл. 2.

Таблица 2

щий на поверхности тонкий однородный мед-нозакисный слой. Производство оксидированного платинита, а так же какие-либо нормативные документы по такому платиниту в настоящее время в России отсутствуют. Между тем, в отечественной практике широко используется оксидированный платинит. В связи с этим, предприятия - потребители изделий, содержащих оксидированный платинит, в оборонной промышленности и авиации вынужде-

ны обращаться к зарубежным поставщикам [10].

Сравнительный анализ основных потребительских свойств платинитовой проволоки проведен на основе нормативных требований, методик оценки качества металлопродукции [11-15] и результатов фактического исследования образцов платинита отечественного производства (по ОСТ 11 0077- 84) и основных европейских производителей. Исследовались образцы платинита марки ПГБ массового промышленного производства (состав и характеристика приведены в табл. 3) и платинит опытной партии, изготовленный по техноло-

гии твердофазного соединения компонентов [16-19] (методом оборачивания, СКБ «Луч», г. Владикавказ).

Зарубежные аналоги представлены образцами платинита производства IMPHY (Франция) и PHILIPS (Голландия), характеристика данной продукции приведены в табл. 4. Потребительские свойства платинита производства PHILIPS полностью совпадают с приведенными в указанной таблице значениями, отличие платинита производства этих фирм заключается лишь во внешнем виде: платинит производства PHILIPS имеет более светлый цвет оксидного слоя.

Рис. 1. Обобщенная блок-схема технологий производства платинита

Таблица 3

Характеристика платинита по ОСТ 11 0077-84

Марка платинита Массовая доля меди в платините, % (КЛТР), Х10-7/ оС в интервале 20 - 300оС КРТА не менее Относительное удлинение, %, не менее для диаметров, мм

0,20-0,35 0,40-0,60 > 0,60

ПТБ 1 22-28 83,3 +4,5 0,4 22 24 18

ПТБУ 1 23-28 83,6 +4,2 0,5

ПТБ 2 22-28 88,2 +3,8 0,4

ПТБУ 2 23-28 88,5 +3,5 0,5

ПТМ 22-28 - -

ПТТ - -

ПГТ 21-30 -

ПГМ - 20 23

ПГБ 86,8 +4,9 0,3

ПГБУ 1 23-30 87,3 +4,4 0,4 22 24

ПГБУ 2 21-28 86,3 +4,4

Таблица 4

Характеристика платинита производства IMPHY (Франция)_

Марка Проводимость, КЛТР, Временное сопротивление Относительное

% IACS Х10"7/ оС разрыву, авр, МПа удлинение, %

DUMET 42-24 23 78 480 >20

DUMET 42-28 27 80 480 >20

DUMET 47-19 20 93 500 >20

В качестве характеристики равномерности распределения меди в плоскости поперечного сечения приведены значения показателя, рекомендуемого ОСТ 11 0077-84: КРТА - коэффициент разнотолщинности абсолютный, который определяется как отношение минимального значения толщины оболочки кт,„ к максимальному ктах:

КРТА

h

h

Значение электропроводности платинита ОСТ 11 0077-84 не регламентирует. В качестве характеристики электропроводности платинита в табл. 4 приведена условная проводимость платинита с размерностью % IACS.

Сравнительный анализ отечественного платинита и зарубежных аналогов показал, что анализируемые марки платинита имеют близкую по составу структуру композиции (табл. 5). Различие в массовой доле меди в биметалле и вариации содержания никеля в материале сердечника (табл. 2) обусловлены необходимостью расширения сортамента продукции, с регламентируемым диапазоном значений КЛТР: от 78 до 83х10"7/°С и от 83 до 89х10"7/°С для отечественных и зарубежных марок платинита, соответственно. Вместе с тем следует отметить, что в отечественной практике при изготовлении стеклянных конструкций могут использоваться такие марки стекла, как ДС-10 по ТУ РБ 09429319.002-99 с КЛТР равным 90х10"7/°С для корпусов полупроводниковых приборов и марка СЛ97-1 со значением КЛТР равным 97х10"7/°С, производимого по 16-91 ЖТДИ 670300.015 ТУ и применяемого при изготовлении ламп накаливания [2].

На рис. 2 приведены свойства материалов, характеризующие возможность удовлетворительной в широком температурном диапазоне совместной работы платинита марки DUMET в спаях с рекомендуемым для этой марки платинита стеклом марки SCHOTT.

Фактическая разнотолщинность оболоч-

ки по результатам исследования образцов платинита от зарубежных производителей минимальна: значения показателя КРТА от 0,851,00. Отечественный промышленный платинит, изготовленный гальваническим способом, по этому показателю не уступает зарубежному. Однако, образцы платинита, изготовленные методом оборачивания, при удовлетворении требованиям стандарта (например, платинит марки ПГБ, табл. 3), значительно уступает по этому показателю другим исследуемым зарубежным образцам [2, 20].

Как отмечалось ранее, получение ваку-умплотного спая платинита и стекла обеспечивается наличием на поверхности платинита тонкого оксидного слоя, который при пайке взаимодействует с окислами структурной сетки стекла с образованием слоя, состоящего из кристаллов сложных соединений типа шпинелей: ^^^ [21]. Практика промышленного применения платинита (например, на заводе «Цветотрон», г. Брест) показала, что оптимальная толщина оксидного слоя, состоящего только из закиси меди составляет 1-2

мкм.

По состоянию оксидного слоя этим требованиям отвечает импортный платинит. Бо-рированный платинит отечественного производства имеет борнозакисную пленку, толщиной до 6 мкм, что является одной из основных причин отказа от применения такого платинита в электронике, в производстве приборов для оборонной промышленности, авиации.

Толщина оксидного слоя напрямую стандартом не регламентируется. Его качество оценивается по цвету, отражающему и толщину поверхностного слоя и ее состав. По требованиям ОСТ 11 0077-84 поверхность бориро-ванного платинита должна иметь цвет от светло-кирпичного до вишневого, устанавливаемый образцами внешнего вида. По визуальной оценке отечественный борированный платинит имеет преимущественно малиновый цвет со слабым глянцевым блеском.

Таблица 5

Сравнительный анализ основных потребительских характеристик

Параметр Значения параметров

ПГБ, ОСТ 11-0077-84 (разных производителей) БиМБТ 42-24 (1МРИУ, Франция) *

Содержание меди в композиции, % 21-30 17-28

Марка сердечника 43Н

Толщина переходного слоя на границе раздела компонентов до 4-5 мкм до 4 мкм

Механические свойства

Временное сопротивление разрыву, аВР, МПа не регламентировано

Относительное удлинение, % 18-24

Электротехническая характеристика

Удельное электросопротивление, не регламентировано 7,5-8,6

Проводимость, % 1ЛС8 не регламентировано 20-27

Геометрия поперечного сечения (в скобках фактические значения

Коэффициент разнотолщинности оболочки

Характеристика поверхности

Толщина окисного слоя и 6 мкм и 1-2 мкм

Состав поверхностного слоя Бура, закись меди (фиолетово-бурый оттенок свидетельствует о присутствии в составе слоя окиси меди) Закись меди

Коэффициент линейного термического расширения в радиальном направлении

КЛТР, х10-'/ оС в интервале 20 - 300оС 83 -89 78-93

Платинит производства PHILIPS имеет аналогичную характеристику.

J

J

<

SCHOTT DUMET 47-19 DUMET 42-24

100

200

300

400

500

600

Температура, С

Рис. 2. Зависимость величины относительного теплового расширения от температуры

При анализе структуры поверхности платинита (рис. 3, а) обнаруживаются области с включениями черного и желтого цвета (на снимке светлые участки). Присутствие черного цвета свидетельствует о наличии в составе оксидной пленки нежелательной окиси меди СиО; участки желтого цвета - скорее всего избыточное скопление буры. Визуально зарубежный платинит отличается более светлым цветом с оранжевым отливом и большим бле-

ском, включения отсутствуют. На поверхности проволоки наблюдается сетка микротрещин (рис. 3, б).

По обобщенной оценке поверхности оксидный слой на платините производства IMPHY (Франция) отличается однородностью по сравнению с борнозакисной поверхностью платинита по ОСТ 11 0077-84. Кроме этого борнозакисный слой на отечественном платините обладает повышенной хрупкостью, при-

0

водящей к нарушению сплошности при транспортировке и проведении технологических операций у потребителя, о чем свидетельствуют оголенные участки медной поверхности, наблюдаемые при микроскопическом анализе (рис. 3, а) [2,8,10].

Таким образом, сравнительный анализ качества платинита от разных производителей показал, что отечественный платинит, хоть и не сильно отличается по своему составу от зарубежных аналогов, все же уступают им по своим параметрам: как по физическим и технологическим свойствам, так и по качеству поверхности. Такое состояние дел является одной из основных причин отказа от примене-

ния борированного платинита отечественного производства в электронике, в производстве приборов для оборонной промышленности и авиации. Отечественные предприятия - потребители изделий, содержащих оксидированный платинит, вынуждены обращаться к зарубежным поставщикам. Для улучшения качества отечественного платинита и реализации концепции импортозамещения на российских предприятиях требуется проведение дополнительных исследований и опытно-конструкторских работ с целью создания продукции, не уступающей по качеству зарубежным аналогам [22].

а)

б)

Рис. 3. Поверхность платинита (без травления, фото х500): а) борированный платинит по ОСТ 110077-84 б) оксидированный платинит производства IMPHY

Список литературы

1. Новые материалы для электроники. / Под ред. Д.И. Лайнера. - М.: Металлургия, 1967. - 268с.

2. Солдатенко А.Ф., Касаткина Е.Г. Производство платинита: технология, качество: Монография. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009.

- 183 с.

3. Получение порошковых материалов и изделий (ОПЫТ РАБОТЫ ЗАВОДА "МАРС") /А.А. Гостев, Г.С. Гун, И.Ю. Мезин, Е.Г. Козодаев, И.Ф. Тимошенко, И.Г. Гун -Магнитогорск: МММ. 1993.112 с.

4. Гун Г.С. Инновационные решения в обработке металлов давлением (научный обзор) // Качество в обработке материалов. 2014. № 2. С. 5-26.

5. Политехнический словарь / Редкол.: А.Ю. Ишлинский (гл. ред.) и др. - 3-е изд., перераб. и доп.

- М.: Советская энциклопедия, 1989. - 656с. с ил.

6. Мезин И.Ю. Формирование металлоизделий из структурно-неоднородных материалов: Монография.- Магнитогорск: МГТУ им. Г.И.Носова, 2000. - 155 с.

7. ОСТ 11 0077-84. Платинит. Технические

условия. Издание официальное ГР 8351807 от 28.05.85. - 22 с.

8. Касаткина Е.Г. Повышение качества платинита совершенствованием технологии его производства: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.23 / Касаткина Елена Геннадьевна. 2006. 137 с.

9. Солдатенко А.Ф., Касаткина Е.Г. Способ изготовления платинитовой проволоки: пат. на изобретение 2354517 Рос. Федерация, МПК В 23 К 20/04. БИПМ, 2009. №13. С. 522-523.

10. Касаткина Е.Г. Оксидирование композиционной проволоки специального назначения. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2005. № 9. С. 71-72.

11. Чукин М.В. Развитие теории качества металлопродукции (Научный обзор). // Качество в обработке материалов. 2015. № 1(3). С. 5-10.

12. Создание и развитие теории квалимет-рии металлургии / Гун Г.С., Рубин Г.Ш., Чукин М.В., Гун И.Г., Мезин И.Ю., Корчунов А.Г.// Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2003. № 5. С. 67.

13. Гун Г.С., Мезин И.Ю., Рубин Г.Ш., Минаев А.А., Назайбеков А.Б., Дыя Х. Генезис научных исследований в области качества металлопродукции. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1 (45). С. 92-97.

14. Гун Г.С., Мезин И.Ю., Корчунов А.Г., Чукин М.В., Гун И.Г., Рубин Г.Ш. Научно- педагогическая школа Магнитогорского государственного технического университета по управлению качеством продукции и производственных процессов. // Качество в обработке материалов. 2014. № 1. С. 5-8.

15. Колокольцев В.М. Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова. История. Развитие // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1 (45). С. 5-6.

16. А.С. № 1759497 СССР, МКИ6, В 21 С 23/22. Способ получения платинитовой проволоки / Пагиев С.С., Дзуцов К.Г., Дулаев А.К. Опубл. в Б.И. № 33, 1992.

17. Гун Г.С., Солдатенко А.Ф., Касаткина Е.Г. Качество биметаллической проволоки при твердофазном соединении компонентов // Эффективные технологии производства метизов: Сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2001. - С. 38-46.

18. Стеблянко В.Л., Солдатенко А.Ф., Щербо Ю.А. Формоизменение компонентов при

производстве биметаллической проволоки сваркой в калибре //Новые технологии производства слоистых металлов, перспективы расширения их сортамента и применения: Материалы науч.-техн. семинара. - Магнитогорск: изд-во МГМИ, 1987. - С. 33.

19. Стеблянко В.Л. Создание технологий получения биметаллической проволоки и покрытий на основе процессов, совмещенных с пластическим деформированием. Дисс... докт. техн. наук. - Магнитогорск, 2000.

20. Солдатенко А.Ф., Касаткина Е.Г. Влияние распределения компонентов биметаллической проволоки в плоскости поперечного сечения на потребительские свойства // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2001. -С. 205-211.

21. Хряпин В.Е., Лакедемонский А.В. Справочник паяльщика. Изд. 4-е, перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1974. - 328с.

22. Гун Г.С., Солдатенко А.Ф., Касаткина Е.Г. Исследование технологии производства композиционной проволоки специального назначения с целью улучшения эксплуатационных свойств // Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. - Магнитогорск: МГТУ, 2003. -С.206-209.

УДК 66.669

Салганик В. М., Полецков П. П., Бережная Г.А., Гущина М.С., Мишуков М. В.

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПРОКАТКИ ВЫСОКПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ МАРОК 17Г1С И 09Г2С С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛОПРОКАТА*

Аннотация. В статье рассмотрены основные направления развития современных систем газо и нефтепроводов, а так же соответствие качества проката требованиям нормативных документов, полученного в ходе применения действующей технологии производства высокопрочных низколегированных сталей марок 17Г1С и 09Г2С. Выполнен анализ полученных результатов в процессе физического моделирования. По результатам анализа заключили, что проведенные в работе исследования и полученные результаты на базе научно-производственного комплекса ООО «Термодеформ-МГТУ» подтвердили все необходимые свойства высокопрочных низколегированных марок сталей 17Г1С и 09Г2С.

Ключевые слова: высокопрочные низколегированные стали, термомеханическая прокатка, физическое моделирование, качество, конструктивная прочность.

* Работа проведена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 02.G25.31.0105).