CC BY
70
УДК 666.174.5
Зинина Э.М., Чакветадзе Д.К., Спиридонов Ю.А., Сигаев В.Н.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ AL2O3 НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕГКОПЛАВКИХ СТЕКОЛ СИСТЕМЫ Li2O- SNO- P2O5
Зинина Энжегель Мансуровна, магистрант кафедры химической технологии стекла и ситаллов, e-mail: [email protected];
Чакветадзе Джулия Кобаевна, аспирант кафедры химической технологии стекла и ситаллов;
Спиридонов Юрий Алексеевич, к.т.н., доцент кафедры химической технологии стекла и ситаллов;
Сигаев Владимир Николаевич, д.х.н., профессор, заведующий кафедрой химической технологии стекла и
ситаллов;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Изучено влияние оксида алюминия на свойства стекол системы Li2O- SnO- P2O5 с добавками Na2O, K2O, SrO. Подобные стекла перспективны при создании легкоплавких припоечных композиций, применяемых в различных областях науки и техники. В зависимости от содержания вводимой добавки получены значения температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) (129 - 146) 10- К1, температур стеклования (Tg) - (251-310) оС и температур начала деформации (Тн.д) - (280-337) оС. Растекаемость полученных стекол при температуре 440оС составила (169-365)%, потери массы при кипячении - (0,14-1,67)%. Полученные данные позволяют рекомендовать составы этих стекол в качестве замены классическим свинцовоборатным стеклам, широко использующимся в качестве основы при создании припоечных композиций.
Ключевые слова: Легкоплавкие стекла; фосфатные стекла; легкоплавкие стеклоприпоечные материалы, припоечные стеклокомпозиции
RESEARCH OF THE INFLUENCE OF AL2O3 ON THE TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF LOW-MELTING GLASSES BASED ON LI2O- SNO- P2O5
Zinina Enjegel Mansurovna , Chakvetadze Julia Kobaevna, Spiridonov Yury Alexeevich, Sigaev Vladimir Nikolaevich D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The influence of aluminium oxide on the properties of the Li2O- SnO- P2O5 based glasses with additives of Na2O, K2O, SrO. Such glasses are promising in the production of low-melting sealing compositions used in various fields of science and technology. Depending on the content of the additive the following values were obtained: thermal coefficient of linear expansion (TCLE) - (129 - 146) 10-7 K1, glass transition point (Tg) - (251-310) °C and initial deformation temperature (Tid) - (280-337) °C. The lowability of the obtained glasses at the temperature of 440°C was (169-365)%, the losses of mass during boiling - (0,14-1,67)%. The achieved values allow recommending the compositions of these glasses as a replacement for classical lead-based glasses widely used as a basis for the glass sealing compositions.
Key words: low-melting glasses, phosphate glasses, low-melting sealing glasses, glass sealing compositions
Широкое применение легкоплавких стекол и стеклокомпозиций на их основе в различных областях науки и техники делают эти материалы одним из наиболее востребованных продуктов на мировом рынке. Низкая температура размягчения, быстрое и равномерное смачивание при спаивании изделий, отсутствие устойчивых термических напряжений после пайки, высокая механическая прочность шва, обеспечение вакуумной плотности соединения и согласование значений ТКЛР стеклоприпоя и спаиваемых материалов являются основными требованиями к припоечным материалам. Ключевыми характеристиками при подборе легкоплавкого стекла, используемого в качестве основы припоечной композиции, является значения ТКЛР и растекаемости материала при температуре спаивания. Близость значений ТКЛР припоя и деталей, подлежащих спаиванию, обеспечивают прочность и долговечность соединения [1]. В качестве основы при создании
припоечных стеклокомпозиций служат
свинецсодержащие боратные, фосфатные, ванадатные, висмутсодержащие стекла. Выбор стеклообразующей системы зависит от требуемых эксплуатационных и физико-химических свойств. Кроме того, в настоящее время немаловажную роль играет экологический аспект, предпочтения отдаются материалам, которые не наносят вред здоровью работающего с ними персонала. Перспективными в этом направлении являются фосфатные стекла, не содержащие соединений тяжелых металлов и отвечающие всем требованиям экологической безопасности материалов.
Целью работы является исследование влияния оксида алюминия на свойства фосфатных стекол, которые в дальнейшем могли бы быть использованы в качестве основы для создания припоечных композиций, применяющихся для спаивания изделий из корунда. Традиционно для создания таких композиций использовали свинцовоборатные
стекла, обладающие характеристиками, типичные значения которых приведены ниже для одного из стекол данного класса:
• ТКЛР(50-250°С), а 11710-7 К-1 ;
• температура стеклования(ТЁ ) 303°С;
• температура начала деформации (Тнд.)
324°С;
• растекаемость 256% [2];
Значения ТКЛР свинцовоборатных стекол корректировали введением в состав
кристаллического наполнителя с низким или отрицательным значением ТКЛР с целью достижения значения (66 ± 3)-10"7 К-1), необходимого для получения вакуумплотного соединения корундовой керамики [2].
В качестве основы было выбрано легкоплавкое стекло системы Ы20- БпО- Р205 с различными добавками [3]. Стекла этих составов обладают невысокой химической стойкостью. Для того чтобы
повысить значения этого показателя в состав стекла вводили оксид алюминия в количестве до 5 моль. %.
При синтезе стекол пользовались сырьевыми материалами различной квалификации, а именно, "чда", "ч", "хч", "осч" Варку стекол проводили в корундовых тиглях емкостью от 50 до 100 мл в электрической муфельной печи с
карбидкремниевыми нагревателями. Температура варки составила 1100°C, продолжительность - 30 минут. Полученную стекломассу отливали на плиту из нержавеющей стали. ТКЛР, Tg и Тнд. стекол определяли по дилатометрической кривой, записанной на дилатометре NETZSCH DIL 402 PC в интервале температур 50-250°С. Растекаемость рассчитывали по соотношению площадей спрессованной таблетки порошка стекла до и после термообработки при температуре спаивания 440°С. Химическую стойкость стекла измеряли по потерям массы после кипячения в дистилованной воде в течение одного часа [4].
Составы и свойства стекол фосфатной системы с добавками (сверх 100 %) Al2O3 приведены в таблице 1 и 2.
Таблица 1. Составы исследуемых стекол системы Li2O- SnO- Р205
№ Составы стекол, моль%
P2O5 SnO Li2O Na2O K2O SrO Äl2O3 (сверх 100%)
1 55 21 21 1 1 1 -
2 55 21 21 1 1 1 1
3 55 21 21 1 1 1 2
4 55 21 21 1 1 1 3
5 55 21 21 1 1 1 4
6 55 21 21 1 1 1 5
Таблица 2. Свойства исследуемых стекол системы Li20- SnO- Р205
Свойства стекол
№ Tg , ос T оС н.д.; ^ а-10', К-1 Растекаемость, % Потери по массе, %
1 240 266 155 365 8,5
2 251 280 146 345 1,67
3 259 286 141 320 0,68
4 270 293 139 275 0,56
5 280 307 133 225 0,36
6 310 337 129 199 0,14
Введение в состав стекла оксида алюминия позволило повысить значения химической стойкости стекол по отношению к воде выше уровня свинцовоборатного стекла, чьи потери при кипячении составили 3,47 %, и, вместе с тем, привело к изменению дилатометрических характеристик стекол, которые представлены в таблице 2.
Результаты исследования показали, что введение оксида алюминия в количестве до 5 моль.% не только повышает почти на порядок водостойкость с 8,5 % до 0,14 % , но и снижает значения ТКЛР стекла с 15510-7 К-1 до 12910-7 К-1 (рис.1,таблица 2).
148-,
146-
144-
142-
140-
138-
о 136 J
*
134-
132-
130-
128-
Зависимость ТКЛР от содержания Al2O3
\
...
\
1
1 2 3 4 5
Содержание А1203, моль.,%
Рис. 1. Влияние содержания Л12Оз на значения ТКЛР стекол системы Ы2О- 8иО- Р2О5
360 ■ 340' 320' 300. 280. 260' 240. 220 200. 180.
Зависи мость растек. аемости от со держания AI2 O3
n X
Ч
\
\ ч
ч —
Содержание А1203,моль.%
Рис. 2. Влияние содержания Al2Oз на значения растекаемости стекол системы Ы2О- 8иО- Р2О5
Введение в состав стекла оксида алюминия свыше 3 моль. % (составы № 5,6 таблица 1,2) приводит к существенному снижению растекаемости (рис.2), что затрудняет использование этих составов в качестве аналогов свинцовоборатному стеклу, имеющему значение растекаемости 256%. Наиболее перспективным для последующей разработки в качестве основы для создания припоечных стеклокомпозиций является стекло, соответствующее составу №4, имеющее значение ТКЛР 12910-7 К-1, Tg - 270°С, Тн.д. - 293°С, растекаемость - 324% и потери массы при кипячении - 0,56%.
Полученные зависимости (рис.1 и рис.2) близки к прямолинейным. Незначительные отклонения в прапорциональности объясняются погрешностями эксперимента.
Проведенное исследование показало, что введение оксида алюминия в состав стекол системы Li2O- SnO- P2O5 оказывает существенное влияние на их технологические свойства. Повышенная химическая стойкость, низкие температуры размягчения, высокое значение растекаемости, а также отсутствие оксидов тяжелых металлов - все это делает данные стекла потенциальной заменой классическим свинецсодержащим припоям. Несоответствие значения ТКЛР стекла и корунда может быть устранено введением наполнителя с низким значением ТКЛР и отвечающего требованиям экологической безопасности.
Список литературы
1. Павлушкин Н.М., Журавлев А.К. Легкоплавкие стекла. М.: Энергия, 1970. - С.4.
2. Чакветадзе Д.К., Легкоплавкие стеклокомпозиции для вакуумноплотного низкотемпературного спаивания изделий в широком интервале значений ТКЛР / Д. К. Чакветадзе, Ю. А. Спиридонов, К.В. Наумова, В.Н. Сигаев, // Успехи в химии и химической технологию-2015.-№7.-Т.29.-С.84-86.
3.JP Patent No.2001106549 Int.Cl C 03 C 8/24
4. ГОСТ 10134.0-82. Стекло неорганическое и стеклокристаллические материалы. Общие требования к методам определения химической стойкости.- Москва: Издательство стандартов, 1983. - 5 с.
