Особенности получения металлокерамических соединений с применением форвакуумных плазменных источников электронов

2. Еренков О.Ю., Дмитриев Э.А., Моисеев А.В. Производство деталей и изделий повышенной прочности из стеклопластика//Пластические массы. 2014. № 5-6. С. 47-49.

3.Erenkov O.Yu., Ivakhnenko A. G., Radchenko M. V. Method for molding fiberglass objects based on polymer binder electrophysical treatment//Chemical and Petroleum Engineering. 2013. - Volume 49, Issue 5.- рр. 346-350.

4. Белкин В.С. Наносекундные электромагнитные импульсы и их применение / В.С. Белкин, В.А. Бухарин, В.К. Дубровин и др. / Под ред В.В. Крымского. - Челябинск: Изд-во Южно-Уральского гос. ун-та. 2001. - 110 с.

5. Карташов Э.М. Структурно - статистическая кинетика разрушения полимеров. / Э.М. Карташов, Б. Цой, В В. Шевелев. - М.: Химия. 2002. - 736 с.

6. Патент №2575726 Российская федерация, (51) МПК В 29 С 43/02. Способ переработки отходов полиэтиленовой пленки / О.Ю. Еренков, М.Ю. Сарилов, Г.В.Коннова. - № 2014141856/05; заявл. 16.10.2014; Опубл. 20.02.2016, Бюл. № 5.

IMPROVING THE EFFICIENCY OF RECYCLING OF THERMOPLASTIC POLYMERS

Erenkov Oleg Jurevich, Doctor of Technical Science, Professor

Pacific National University, Khabarovsk, Russia

Petrova Svetlana Ivanovna, Candidate of Technical Science, Docent

Pacific National University, Khabarovsk, Russia

Abstract. The results of experimental studies on the effect of electro physical processing of thermoplastic materials to their mechanical properties are discussed in the paper. The paper describes a new method of thermoplastics recycling.

Keywords: thermoplastic polymers, recycling, electro physical processing nanosecond electromagnetic pulses, strength

ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФОРВАКУУМНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОНОВ Зенин Алексей Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: zenin1988@gmail.com) Андрейчик Анна Павловна, студентка (e-mail: andreichik94@mail.ru) Климов Александр Сергеевич, к.т.н., доцент (e-mail: klimov680@gmail.ru) Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, Россия

В статье представлены результаты электронно-лучевой пайки керамики с металлом с применением форвакуумных плазменных источников электронов. Показана принципиальная возможность осуществления процесса пайки, также продемонстрированы полученные образцы и их характеристики.

Ключевые слова: плазменный источник электронов, форвакуумный диа-

пазон давлений, электронный пучок, электронно-лучевая пайка, керамика, герметичность.

Одним из распространенных способов соединения металлических деталей остается пайка. С развитием технологий становится возможным осуществление соединений и разнородных материалов, например, металлов (их сплавов) и керамики. Но технологические процессы для последних разработаны в меньшей степени, поэтому часто полученные швы не удовлетворяют требованиям надежности, негерметичны и имеют низкую прочность сцепления. Решение этих проблем сделало процесс создания метал-локерамических изделий сложным и многоступенчатым: пайке с использованием припоев предшествует металлизация керамики либо нанесение металлсодержащей пасты или соли металла в смеси с восстановителем с последующим вжиганием покрытия, либо путем пламенного или плазменного напыления, химического осаждения. Отказаться от металлизации керамики позволяет использование клеящего материала, который, однако, резко снижает температуру не только формирования соединения, но и его эксплуатации.

Саму пайку можно осуществлять в печах или с привлечением высококонцентрированных источников энергии, таких как лазеры, электрический дуговой разряд, электронный пучок. Чтобы избежать окисления пайку проводят в среде инертных газов, а также в вакууме. Использование электронного пучка сталкивается с проблемой накопления отрицательного заряда на диэлектрической поверхности, следствие которой - отражение от облучаемой поверхности электронов пучка. Решить эту проблему позволило создание и применение подробно описанного в [1, 2] плазменного источника электронов, функционирующего в форвакуумном диапазоне давлений и обеспечивающего компенсацию заряда электронного пучка ионами пучковой плазмы.

Настоящая работа посвящена исследованию возможности пайки метал-локерамических изделий двумя пучками электронов. Ранее показанный метод электронно-лучевой пайки керамики одним пучком [3] не позволял осуществлять равномерный прогрев спаиваемых деталей, при этом во время вращения перепад температур по керамике мог достигать сотни градусов [4]. Применение дополнительного источника электронов (сварочного пучка) позволяет осуществлять контролируемый нагрев паяного шва с уменьшением перепада температур по керамике. Эксперименты по отработке методики электронно-лучевой пайки двумя пучками проводились на установке, схематически изображенной на рисунке 1. Соединяемые детали представляли собой трубку из керамики длиной 20 мм и диаметром 12 мм (керамика ВК-94), титановый диск толщиной 3 мм и диаметром 18 мм (титан ВТ-1-0) и прослойку алюминия толщиной 0,3 мм (алюминий А5Н). Образцы закреплялись в системе вращения с возможностью регулирования скорости в диапазоне от 0,1 до 5 оборотов в секунду. Процесс получения

металлокерамического соединения состоял из следующих стадий: очистка и обезжиривание образцов, установка в систему вращения, плавный нагрев места пайки широким пучком электронов, и догрев до требуемой температуры узким пучком, остывание.

Для уменьшения окислительных процессов при пайке в качестве рабочего газа использовался гелий. В качестве припоя в предлагаемой технологии выступал алюминий, имеющий температуру плавления порядка 660оС, впрочем, несколько отличающуюся в зависимости от марки алюминия, поэтому эксперименты проводились при различных температурах на стыке металл-керамика.

Нагрев стыка образцов осуществлялся в течение 15 минут путем плавного увеличения мощности прогревающего широкого пучка до 600 Вт, энергия электронов при этом составляла 6 кэВ. При нагреве образца до 500-600оС включался остросфокусированный пучок - он наводился непосредственно на стык металл-керамика. Далее путем плавного увеличения мощности остросфокусированного пучка температура доводилась до заданной в 700 (образцы 1 и 2), 750 (образцы 3-4) или 800оС (образцы 5-6) для различных образцов соответственно.

Рисунок 1- Схематическое изображение экспериментальной установки для

электронно-лучевой пайки металла с керамикой: 1 - вакуумная камера, 2 - форвакуумный плазменный источник электронов, 3 - система фокусировки и отклонения пучка электронов, 4 - пучок электронов, 5 - керамическая трубка, 6 - прослойка алюминия, 7 - титановый диск,

8 - пирометр.

При поддержании заданной температуры в течение 5 минут осуществлялась пайка. После этого мощность обоих электронных пучков (сварочного и прогревающего) снижалась, а следовательно, уменьшалась и температура образцов. Процесс снижения температуры длился 10 минут, что позволяло снизить напряженности в паяном стыке.

Внешний вид полученных в ходе эксперимента образцов представлен на рисунке 2.

Рисунок 2- Внешний вид спаянных образцов.

Исследование полученных металлокерамических соединений методом рентгеноспектрального микроанализа выявило, что структура переходной зоны алюминий-керамика более резкая в сравнении с зоной алюминий-титан - это может свидетельствовать о частичном растворении титана в алюминии.

Прочность на разрыв полученного соединения, измеренная на разрывной машине по методу «трехточечного изгиба», составила 15-20 МПа, причем разрыв происходил по алюминию. Несмотря на то, что указанные значения на порядок ниже прочности использованной для пайки алюмоок-сидной керамики, они могут оказаться достаточными для ряда металлоке-рамических узлов. Следует заметить, что подобное соединение «встык» применяется в технологиях достаточно редко, применение же соединения «внахлест» позволит значительно увеличить прочность получаемых соединений.

Помимо измерения прочностных характеристик паяного соединения были проведены испытания на термоциклирование. Для этого соединенные детали помещались в нагретую до 250°С муфельную печь с последующей выдержкой в ней 15 мин, после чего образцы извлекались из печи и в течение 15 мин остывали при комнатной температуре - такой процесс повторялся 10 раз. Новых течей по результатам термоциклирования в образцах обнаружено не было. Для испытания на герметичность зажатые в специальной оснастке (рис.3) спаянные соединения помещались в емкость с водой и опрессовывались давлением до 3 атмосфер. В качестве рабочего газа использовался воздух. По наличию пузырьков воздуха можно было судить о наличии, либо отсутствии течи.

Рисунок 3 - Схема испытания на герметичность.

Результаты испытаний на герметичность показали, что у образцов 1 и 2 герметичность отсутствовала (наблюдалась небольшая течь). Скорее всего, это связано с недостаточным прогревом спаиваемого шва. Образцы 3-бсохранили свою герметичность и после 10 циклов термоциклирования, что позволяет судить о надежности получаемых соединений.

Представленная методика двухлучевой пайки металла с керамикой позволяет осуществлять контролируемый равномерный нагрев паяного шва и снизить перепад температур при вращении образца, что в конечном счете существенно улучшает воспроизводимость результатов. Следует отметить, что двухлучевая пайка электронным пучком позволяет исключить операцию металлизации керамики и получать металлокерамические соединения в едином технологическом цикле. Получаемые образцы имеют достаточную прочность, устойчивы к термоциклированию и сохраняют свою герметичность. Разработанная методика может быть применима при производстве различных металлокерамических узлов и изделий и востребована на производстве, где все технологические процессы автоматизированы.

Работа поддержана грантом У.М.Н.И.К. договор № 7612 ГУ2/2015.

Список литературы

1. Бурдовицин В. А. Расширение рабочего диапазона форвакуумных плазменных источников электронов в область более высоких давлений / В. А. Бурдовицин, А. К. Гореев, А. С. Климов, А. А. Зенин, Е. М. Окс // Журнал технической физики. - 2012. -Т. 82. - Вып. 8. - C. 62-66.

2. Зенин А. А. Генерация стационарных электронных пучков форвакуумным плазменным источником в области давлений 100 Ра / А. А. Зенин, А. С. Климов, В. А. Бурдовицин, Е. М. Окс // Письма в журнал технической физики. - 2013. - Т. 39. - Вып. 10. - C. 9-14.

3. Зенин А. А. Электронно-лучевая пайка алюмооксидной керамики с металлом с применением форвакуумного плазменного источника электронов / А. А. Зенин, А. С. Климов // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2013. - № 1 (27). - С. 10-13.

4. Климов А. С. Тепловые процессы при спекании керамики с использованием плазменного электронного источника / А. С. Климов, А. А. Зенин, А. С. Жигалкина // Известия вузов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 3/3. - С. 176-180.

5. Nascimento R.M. Recent advances in metal-ceramic brazing / R.M. Nascimento, A.E. Martinelli, A.J.A. Buschinelli // Ceramica. - Vol. 49, No. 312. P. - 178-198.

Zenin Aleksey Aleksandrovich, candidate of engineering sciences, associate professor, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics,Tomsk, Russia

Klimovcandidate of engineering sciences, associate professor Tomsk State University of Control Systems andRadioelectronics,Tomsk, Russia

Andreichik Anna Pavlovna, student, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics,Tomsk, Russia

FEATURES OF METAL TO CERAMIC SOLDERING USING FORE-VACUUM PLASMA ELECTRON SOURCES

This article presents the results of ceramics to metal soldering using electron beam irradiation. There was presented a fundamental possibility of the soldering process, demonstrated the obtained samples and their characteristics.

Keywords: plasma electron source, forevacuum pressure range, electron beam, electron beam soldering, ceramics, leakproofness.

РАЗРАБОТКА БЫТОВОГО АППАРАТА ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ С ИНВЕРТОРНЫМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ Иванов Николай Иванович, к.т.н., доцент Абышев Кирилл Игоревич, инженер Романенко Дмитрий Николаевич, к.т.н., доцент Маслов Георгий Сергеевич, студент магистратуры Юго-Западный государственный университет

В настоящее время с появлением и развитием малых предприятий, фермерских хозяйств, садово-огородных и дачных участков, небольших частных ремонтных мастерских и других сервисных предприятий возникла необходимость соединения металлов относительно небольших толщин (до 1,0^1,5 мм) и сечений (до 06 мм) в новых условиях. Реализовать эту потребность во многих случаях можно с помощью переносных аппаратов для контактной сварки небольшой мощности, имеющих малые габариты и вес, и питающихся от бытовой электрической сети 220 В. Однако, промышленное производство доступных по цене аппаратов с требуемыми техническими характеристиками пока ограничено.

Такими аппаратами, в отличие от аппаратов дуговой сварки штучными электродами, могут успешно выполняться различные типы соединений [1]:

- нахлесточные соединения тонколистовых деталей между собой и с деталями большой толщины;

- соединения крепежа с листовыми деталями в нахлестку и в тавр;

- соединения деталей типа «проволока» или «пруток» между собой в крест и с листовыми деталями в нахлестку и др.

В понятие «машина (аппарат) для контактной сварки» входят собственно машина (аппарат) и электронная аппаратура управления [2]. Из широкой номенклатуры выпускаемого в настоящее время оборудования для контактной сварки наименьшей установочной мощностью, характеризуются переносные аппараты (клещи) со встроенным сварочным трансформатором и отдельным блоком управления. Подавляющее большинство таких аппаратов питается от промышленной сети напряжением 380 В и имеет мощность, которую нельзя получить от бытовой электрической сети 220 В.

Из отечественных аппаратов, питающихся от электрической сети 220 В можно отметить клещи электросварочные бытовые типа КСБ-03 УХЛ4, выпускаемые ЗАО «Псковэлектросвар».

В аппарате КБС-03 сварочный трансформатор переменного тока частотой 50 Гц встроен в клещи. Усилие сжатия электродов в клещах создается