CC BY
2
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Metal forming
УДК 621.73 Б01 10.25960/ШО.2020.5-6.27
Механизмы деформации металлов и сплавов, используемых в электровакуумных СВЧ-приборах
П. А. Головкин
АО «Плутон», Москва, Россия
На примере различных металлов и сплавов, применяемых для изготовления электровакуумных СВЧ-приборов и изделий микроминиатюризации, анализируется влияние преобладающих механизмов деформации на протекание структурных и фазовых превращений при обработке давлением и на результирующие свойства металлического материала. Показывается, что различные недостатки деформированной структуры во многом имеют единую природу и схожие причины. Путем анализа происходящих при деформации процессов, условно формализованных в наименованиях тех или иных ее механизмов, обосновываются технологические решения, направленные на обеспечение необходимого уровня вакуумной плотности металлического материала.
Ключевые слова: механизмы деформации, структура, фазы, рекристаллизация, микрохимическая неоднородность, напряжения, дефекты, прочность, коррозионная стойкость, вакуумная плотность.
Общие положения
Опыт производства изделий электровакуумного СВЧ-производства и микроминиатюризации (микросборок) указывает на проблему сохранения заданного уровня вакуумной плотности в период хранения и эксплуатации продолжительностью 15 лет с момента изготовления. В качестве материалов корпусов микросборок обычно применяют алюминиевые сплавы, а деталей электровакуумных СВЧ-приборов — молибденовые и медные сплавы. Опыт старейшего разработчика и производителя специальных СВЧ-устройств АО «Плутон» [1] показал, что потери вакуумной плотности деталей и узлов из различных металлов и сплавов могут иметь схожие природу и причины.
Соотношение деформационных механизмов в процессе изготовления того или иного металлического материала [2-4] напрямую предопределяет его прочностные [3] и коррозионные [5] свойства, вакуумную плотность [6] и иные характеристики [1], которые часто рассматриваются вне связи друг с другом.
С учетом формата статьи автор считает допустимым объединить эти характеристики под общим термином «вакуумная плотность». Принятая классификация [2-4] предусматривает формализацию четырех деформационных механизмов: сдвигового (дислокационного), аморфно-диффузионного (атомного), раствор-но-осадительного (межфазного) и межзерен-ного (динамической рекристаллизации). Ниже на примерах алюминиевого сплава АМг6, молибдена вакуумной плавки МЧВП, бескислородной меди М0б и сплава НММц 38-2В показаны общие причины появления и развития дефектов вакуумной плотности и обоснованы пути их ограничения.
Сдвиговой и атомный механизмы деформации
Рассматривая пару атомного и сдвигового механизмов, следует обозначить, что образующие текстуру деформации сдвиги могут происходить как на плоскостях скольжения
Рис. 1. Вакуумно-плотная (слева) и охрупченная, с утолщенными границами перегретая (справа) структуры материала прутка из молибдена МЧВП, х200
Fig. 1. Vacuum-tight (left) and embrittled, with thickened borders superheated structure (right) of vacuum melting molybdenum MChVP grade, х200
внутри кристаллитов, так и путем скольжения и поворота кристаллитов в целом, при низких температурах составляющих атерми-ческую пластичность [2]. Вообще, сдвиговая деформация лежит в основе как внутризерен-ного скольжения, так и межзеренного бло-кообразования, и от межзеренной ее отличает меньшая активность рекриаллизационных процессов при выраженной полигонизации.
Важно, что плоскости скольжения и границы кристаллитов представляют собой области с сильно искаженной кристаллической решеткой и повышенной свободной энергией, достаточной для расплавления отдельных микрообъемов металлического материала и формирования нежелательных фаз, которые невозможно вывести из металлического материала без его переплава [6].
Соотношение между механизмами скольжения и диффузионно-атомным определяется температурой, природой вещества и его напряженно-деформированным состоянием. При холодной деформации преобладает скольжение, при более высоких температурах — диффузионная пластичность [2, 4]. Важно отметить, что атомный механизм деформации непосредственно связан с показателями диффузии и самодиффузии и, как следствие, с толщиной межзеренных границ, являющихся одним из маркеров свойств металлического материала. На рис. 1 представлены структуры молибдена МЧВП, подвергнутого деформации по различным режимам.
Распределенная сдвиговая внутризеренная деформация способствует получению плотной
мелкозернистой структуры материала (рис. 1, слева). Здесь диффузионный механизм дополняет сдвиговой, облегчая перемещение материала путем скольжения, с сохранением деформированной структуры. В другом случае диффузионный механизм действует вместе с рекристаллизационным и локальная деформация на фоне скачка температуры формирует структуру с крупными зернами и границами толщиной несколько микрометров (рис. 1, справа). Выделяясь по границам растущих зерен, микрочастицы графита ослабляют металлические межзеренные связи в молибдене, неприемлемо ухудшая его прочность и вакуумную плотность [7].
Далее внимание будет обращено на диффузионный и рекристаллизационный механизмы деформации, протекающие неотрывно от атомного и сдвигового.
Рекристаллизационный и растворно-осадительный механизмы деформации
Общим местом напряженно-деформированного состояния заготовок является то, что напряжения сжатия формируются в контактирующих с инструментом областях и вблизи них, в средней же зоне напряжения растяжения тем выше, чем больше уровень обжатия, например при ковке или прокатке [8]. В поковках, прутках и катаных полосах разрушение часто проявляется в виде протяженных расслоений в зонах локализованных деформаций, проходящих по границам зерен и
Рис. 2. Расслоения (слева) и надрывы (справа) в полосе из сплава типа монель, х100 Fig. 2. Stratifications (left) and breaks (right) in the Monel alloy strip, х100
дефектов в виде включений и газовых пор, что на примере горячекатаной полосы толщиной 2,5 мм из сплава НМЖМц 28-2,5-1,5 отражено на рис. 2 (слева).
Встречаются и трещины по линиям скольжения и в поперечном прокату направлении, представленные на рис. 2 (справа). Подобные нарушения плотности материала прямо связаны с преобладанием при его обработке ре-кристаллизационного и межфазного механизмов, т. е. межзеренной деформации. Однако не всегда растягивающие напряжения концентрируются в срединных зонах поперечного сечения и на поверхности заготовки, как это имеет место в случае прокатки [8]. Так, для прессованных прутков и длинных поковок бывает характерно наличие «кольцевых и полукольцевых цветовых оттенков» [9], являющихся прямым следствием разрыва скоростей деформации [6] ввиду влияния трения материала заготовки об инструмент.
На рис. 3 представлены «оттенки» в материале прессованного прутка из бескислородной меди М0б. Вызывающие появление «оттенков» напряжения бывают так велики, что приводят к полному разрушению материала заготовки, что на примере поковки из бескислородной меди М0б также отражено на рис. 3. Характерно, что действующий ГОСТ 10988 не обозначает «оттенки» как дефект полуфабриката, хотя их наличие неприемлемо ухудшает вакуумную плотность материала [6].
Результатом могут стать микроразрушения материала в зоне «оттенков» путем сдвига по осям кристаллографического скольжения. С учетом размера такие дефекты трудно обнаружить применяемыми методами контроля, и от того они особенно опасны, поскольку, объединяясь в процессе пайки-сборки и рабочих теплосмен, могут привести к потере вакуумной плотности и выходу из строя готового прибора.
Рис. 3. Разрушение поковки (слева), «полукольцевой оттенок» (в центре) и расслоение в зоне материала прессованного прутка из меди М0б в его зоне (справа, х50)
Fig. 3. destruction of the forging (left), „semi-circular shade" (center), and stratification in the material zone of the pressed bar of oxygen-free copper M0b in its zone (right, х50)
МЕТ^^^РАБОТК)»
Принимая, что в исходном состоянии равнодействующая векторной суммы зерногра-ничного напряжения у тройных стыков зерен равна нулю, потребная энергия удержания границ тем больше, чем более вытянуто зерно. Стремление системы уменьшить зерно-граничную энергию Гиббса, вернуть тройной стык в его начальное положение и восстановить исходную форму зерен [9] является одной из причин зарождения микродефектов у тройных стыков зерен, которые в дальнейшем и приводят к нарушениям вакуумной плотности деталей. Это означает возможность связать параметры температурно-скоростного и напряженно-деформированного состояния материала в точке с балансом протекающих в ней процессов, условно формализованных в наименовании различных деформационных механизмов.
Здесь следует вернуться к роли растворно-осадительного механизма в снижении коррозионных и прочностных характеристик металлического материала в зонах локализованных деформаций, где формируется большое количество микропустот и нежелательных фаз [9], резко изменяющих его структуру и свойства. Соответственно принципу Ле-Шателье на фоне растягивающих напряжений в наибольшей мере повышается микрохимическая неоднородность [8], напрямую связанная с порообразованием материала, со снижением его вакуумной плотности [10].
Так, появление на границах зерен легкоплавкой жидкой фазы является одной из причин адсорбционного понижения прочности материала и смены вязкого характера разрушения на хрупкий, на макроуровне
преимущественно по плоскостям кристаллографического скольжения, а на уровне зерен — по фазам на их границах.
Пример разрушения поковки из сплава АМг6 по плоскостям кристаллографического скольжения и частично заполненные легкоплавкой эвтектикой трещины и микродефекты представлены на рис. 4. Их возникновение является распространенной причиной нарушения вакуумной плотности изделий микроминиатюризации и их выхода из строя с соответствующими последствиями [11].
Межзеренная деформация напрямую провоцирует горячеломкость [9] металлического материала, поскольку адсорбционное понижение прочности металлического материала в этих условиях энергетически выгодно. Такая схема трещинообразования особенно характерна для твердожидкого состояния раствора, т. е. для сплавов, имеющих в своем составе легкоплавкие компоненты и примеси, но не всегда только для них. На рис. 5 представлены схема зарождения межкристаллит-ной трещины у тройного стыка зерен А, В и С [9] и их множество в молибдене, где микропустоты занимает применявшийся для раскисления расплава углерод [7].
В сплаве АМг6 аналогично происходит заполнение пустот у тройных стыков зерен фазами Mg2Alз и Mg5Alз [5], что отражено на рис. 6. Здесь интерметаллидных фаз тем больше, чем активнее были рекристаллизацион-ный и диффузионный механизмы деформации. Выделение этих фаз тем больше, чем «свежее» вновь зернограничная поверхность, а развитие трещины тем активнее, чем больше жидкости образуется [6, 9]. Это объясняет
Рис. 4. Разрушение поковки из сплава АМг6 по плоскостям кристаллографического скольжения (слева) и заполненные легкоплавкой эвтектикой трещины (в центре, справа)
Fig. 4. Destruction of forgings made of aluminum-magnesium alloy AMg6 along the planes of crystallographic sliding (left) and cracks filled with fusible eutectic (center, right)
[30
№ 5-6(119-120)/2020
кажущееся противоречие между лавинообразной динамической рекристаллизацией, при которой исходные напряжения снижаются, и образованием заполненных различными фазами дефектов у их тройных стыков.
Имея единую природу, такие явления на-блюдатся не только при деформации металлического материала, но и, например, в процессе нанесения технологических покрытий либо пайки. Важно, что развитие трещин на формирующихся во время пайки-сборки зародышевых дефектах [7] не всегда может быть выявлено применяемыми средствами контроля вакуумной плотности, в частности с использованием гелевых течеискателей. С учетом напряжений, формируемых при нанесении на заготовку технологических и специальных покрытий, в частности химического никелирования, такой вид распределения интерметал-лидных фаз является частой причиной потери вакуумной плотности алюминиевых корпусов микросборок [11] изделий ответственного назначения.
Управление механизмами деформации и качество материала
Обобщая изложенное, можно сделать вывод, что пагубно отражающиеся на вакуумной плотности металлического материала явления особенно активно развиваются в местах локализации горячей пластической деформации. Совокупность происходящих там процессов можно описать как преобладание рекристал-лизационного и диффузионного механизмов,
т. е. межзеренной деформации. Учитывая связь между локализацией и ростом рекри-сталлизационных и диффузионных явлений, для ограничения адсорбционного понижения прочности материала следует повышать равномерность деформации или, другими словами, ее дробность [12]. Для разных металлов и сплавов технологические решения принципиально различаться не будут. Такое решение удобно показать на примере поковок из алюминиевого сплава АМг6.
Сопоставление результатов математического моделирования осадки прутковых заготовок с применением основанного на методе конечных элементов программного продукта QForm [13] с их реальной металлографией и твердостью в контрольных точках показало четкую зависимость. А именно: чем выше температура нагрева заготовки под ковку, накопленная материалом степень деформации и ее скорость, тем больше интерметаллидов формируется в материале поковки. На рис. 6, справа, показано сочетание заполненных легкоплавкой фазой Mg2Alз межзеренных микротрещин и микропор у тройных стыков зерен, ставших прибежищем для коагулянтов хрупкой фазы Mg5Al8 по схеме, приведенной на рис. 5.
В то время как равномерная деформация сплава АМг6 с нагрева до 320 °С формирует небольшое количество интерметаллидных фаз, ее локализация при ковке заготовки с нагрева до 420 °С вызывает кратное повышение их количества. Зависимости для полученных с нагрева 420 и 320 °С поковок и для исходного прессованного прутка приведены
Рис. 5. Схема зарождения межкристаллитной клиновидной трещины (слева) и их множество в молибдене (справа, частично заполнены выделившимся углеродом, х100)
Fig. 5. Diagram of the origin of an intercrystalline wedge-shaped crack (left) and their set in molybdenum (right, partially filled with released carbon, х100)
Рис. 6. Структура поковки из сплава АМг6, сформированная с преобладанием внутризеренной (слева) и меж-зеренной (справа) деформации, х200
Fig. 6. AMg6 alloy forging Structure formed with a predominance of intra-grain (left) and inter-grain (right) deformation, х200
Содержание интерметаллидных фаз в материале поковок из сплава АМг6 Content of intermetallic phases in the material of forgings made Of AMg6 alloy
Температура нагрева, °С Доминирующая деформация Деформация, логарифмические единицы Температура в точке, °С Твердость, МПа Содержание интерметаллидных фаз, %
320 Внутризеренная 0,2-1,6 312 135-140 0,03-0,05
Межзеренная 1,4-2,8 370 120-130 0,12-0,161
420 Внутризеренная 0,2-1,6 403 115-121 0,116-0,152
Межзеренная 1,4-2,8 462 110-115 0,132-0,185
Исходный пруток, долевое направление 105-143 0,02-0,03
в таблице. Твердость материала в контрольных точках измерялась с использованием микротвердомера ПМТ-3, содержание интерметаллидных фаз определялось стандартным весовым методом по ГОСТ 21073.4.
Из таблицы видно, что чем меньше выделившихся фаз, т. е. чем меньше образуется микропустот, тем выше твердость металлического материала в контрольных точках, а значит, его прочностные, коррозионные характеристики и вакуумная плотность. Для достижения таких результатов достаточно обеспечить перемещение очага деформации путем сложной ковки [12] либо применением других способов.
Важно, что такие технологические решения пригодны для различных металлов и сплавов, поскольку имеют своей целью недопущение доминирования межзеренного и растворно-осадительного механизмов деформации. Так, повышение прочностных показателей можно проиллюстрировать через повышение твердости металлического материала, которая для сплава АМг6 при понижении
температуры ковки за счет изменения соотношений деформационных механизмов составляет 17-20 % с минимальным ее колебанием. При этом содержание интерметаллидных фаз опускается с 0,132-0,185 до 0,03-0,05 %, т. е. более чем в 3-5 раз.
Выводы
1. Для различных групп металлов и сплавов и видов заготовок протекающие при горячей пластической деформации процессы могут иметь как общие последствия, так и общие причины. Ухудшение прочностных, коррозионных характеристик и вакуумной плотности может являться следствием преобладания межзеренного и растворно-осадительно-го деформационных механизмов.
2. Для сплавов с наличием легкоплавких компонентов и примесей локализация зон сдвиговых деформаций приводит к формированию жидкой фазы по границам зерен и ее скоплению в микрополостях у их тройных
МЕТт(РАУШ
стыков. В свою очередь, адсорбционное понижение прочности лавинообразно локализует деформацию, резко повышает температуру и микрохимическую неоднородность металлического материала.
Похожие процессы могут происходить и в тугоплавких материалах при локализации на их зернах примесей, как, например, скоплений раскисляющего молибден углерода.
3. Ограничению нежелательных последствий локальных сдвиговых деформаций могут служить применение технологических приемов, обеспечивающих перемещение очага деформации по объему деформируемой заготовки, а также деформация заготовок в области нижнего предела интервала рекомендованных температур.
Так, для сплава АМг6 целесообразно ограничение температуры нагрева перед ковкой заготовок значением 320 °С. В этом случае при осуществлении ковки по сложным схемам можно обеспечить сбалансированное сочетание процессов, условно формализованных в виде различных механизмов деформации.
Литература
1. Плутон. 90 лет. Гордимся прошлым, смотрим в будущее / Коллектив авт. М.: ООО «Пилотаж», 2019. 232 с.
2. Корнеев Н. И., Скугарев И. Г. Пластическая деформация высоколегированных сплавов. М.: МАП, Оборонгиз, 1955. 204 с.
3. Телешов В. В., Чурюмов А. Ю. Анализ влияния характеристик двухфазной матричной структуры на вязкость разрушения деформируемых алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2012. № 2. С. 22-40.
4. Яковцева О. А. Механизмы сверхпластической деформации в сплавах с разным типом микроструктуры: дис. ... канд. техн. наук. 05.16.05 г. М.: МИСиС, 2018. 140 с.
5. Головкин П. А. Режимы горячей деформации и коррозионная стойкость сплавов систем А1-М^ и А1-М^-Бс // Коррозия: материалы, защита. 2006. № 8. С. 13-17.
6. Головкин П. А. Повышение качества деталей из бескислородной меди для электровакуумных приборов СВЧ-диапазона // Технология машиностроения. 2020. № 5. С. 34-41.
7. Головкин П. А. Повышение качества соединения деталей из молибдена марки МЧВП электровакуумных СВЧ-приборов припоем ПЗлМ 94В // Сварка и диагностика. 2020. № 4. С. 32-35.
8. Горелик С. С., Добаткин С. В., Капуткина Л. М. Рекристаллизация металлов и сплавов. Изд. 3-е, пере-
раб. и доп. / Под ред. С. С. Горелика. М.: МИСиС, 2005. 432 с.
9. Новиков И. И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов. М.: Наука, 1966. 300 с.
10. Chechulina E. A., Trusov P. V. Dislocation based multilevel model for elasticplastic deformation of polycrystalline materials. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017. 286 012023.
11. Головкин П. А. Повышение качества корпусов микросборок электронных СВЧ-приборов с использованием ковочных операций // Технология машиностроения (статья в редакции).
12. Zhanguang Zheng, Xiaoying Zhang, Liang Xie, Longgui Huang, Teng Sun. Changes of Microstructures and Mechanical Properties in Commercially Pure Titanium after Different Cycles of Proposed Multi-Directional Forging. Metals, 2019. N 9. P. 175. D0I:10.3390 / met9020175. (http://creativecommons.org/licenses/ by/4.0/)
13. Галкин В. И. Об оценке возможностей и перспектив конечно-элементного анализа процессов обработки металлов давлением // Технология легких сплавов. 2012. № 2. С. 9-21.
References
1. Pluto. 90 years old. Proud of the past, looking to the future. Moscow: LLC „Pilotazh", 2019. 232 p. (In Russ.).
2. Korneev N. I., Skugarev I. G. Plastic deformation of high-alloy alloys. Moscow: MAP, Oborongiz, 1955. 204 p. (In Russ.)
3. Teleshov V. V., Churyumov A. Yu. Analysis of the influence of the characteristics of a two-phase matrix structure on the fracture toughness of deformable aluminum alloys. Technology of light alloys, 2012, no 2, pp. 22-40. (In Russ.)
4. Yakovtseva O. A. Mechanisms of superplastic deformation in alloys with different types of microstructure: Dis. cand. med. nauk. 05.16.05. Moscow: MISIS, 2018, 140 p. (In Russ.)
5. Golovkin P. A. modes of hot deformation and corrosion resistance of alloys of the Al-Mg and Al-Mg-Sc systems. Korroziya: materialy, zashchita, 2006, no 8, pp. 13-17. (In Russ.)
6. Golovkin P. A. Improving the quality of parts made of oxygen-free copper for electric vacuum devices of the microwave range. Tekhnologiya mashinostroeniya, 2020, no 5, pp. 34-41. (In Russ.)
7. Golovkin P. A. Improving the quality of connection of parts made of molybdenum of the MCHVP brand of electric vacuum microwave devices with solder Pzlm 94V. Svarka i diagnostika, 2020, no 4, pp. 32-35. (In Russ.)
8. Gorelik S. S., Dobatkin S. V., Kaputkina L. M. Recrystallization of metals and alloys. Moscow: MISIS, 2005. 432 p. (In Russ.)
9. Novikov I. I. Hotness of non-ferrous metals and alloys. Moscow: Nauka, 1966. 300 p. (In Russ.)
10. Chechulina E. A., Trusov P. V. Dislocation based multi level model for elastic plastic deformation of polycrystalline materials. 2017. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 286 012023.
МЕТ^^^РАБОТК)»
11. Golovkin P. A. Improving the quality of microassembly cases of electronic microwave devices using forging operations. echnology of mechanical engineering. Tekhnologiya mashinostroeniya (article in the editorial office).
12. Zhanguang Zheng, Xiaoying Zhang, Liang Xie, Longgui Huang, Teng Sun. Changes of Microstructure and Mechanical Properties in Commercially Pure Titanium
after DifferentCycles of Proposed Multi-Directional Forging. Metals, 2019, no 9, p. 175. D01:10.3390 / met9020175 / (http://creativecommons.org/licenses/ by/4.0/)
13. Galkin V. I. On the assessment of the possibilities and prospects of finite element analysis of metal processing processes by pressure. Tekhnologiya legkikh splavov, 2012, no 2, p. 9-21.
Сведения об авторе
Головкин Павел Александрович — кандидат технических наук, начальник лаборатории, АО «Плутон», Москва, ул. Нижняя Сыромятническая, д. 11, e-mail: p.golovkin@pluton.msk.ru
Для цитирования: Головкин П. А. Механизмы деформации металлов и сплавов, используемых в электровакуумных СВЧ-приборах. Металлообработка, 2020, № 5-6, c. 27-34. DOI 10.25960/mo.2020.5-6.27
UDC 621.73 DOI 10.25960/mo.2020.5-6.21
Mechanisms of deformation of metals and alloys, used in electric vacuum microwave devices
P. A. Golovkin
JSC „Pluto", Moscow, Russia
On the example of various metals and alloys used for the manufacture of electro — vacuum microwave devices and microminiaturization products, the influence of the prevailing deformation mechanisms on the course of structural and phase transformations during pressure treatment, and on the resulting properties of the metal material is analyzed. It is shown that the various disadvantages of the deformed structure are largely of the same nature and causes. By analyzing the processes occurring during deformation, which are conditionally formalized in the names of various mechanisms, technological solutions aimed at ensuring the necessary level of vacuum density of a metal material are justified.
Keywords: deformation mechanisms, structure, phases, recrystallization, microchemical heterogeneity, stresses, defects, strength, corrosion resistance, vacuum density.
Information about the author
Pavel A. Golovkin — Candidate of Engeneering Sciense, JSC „Pluto", 11, Nizhnyaya Syromyatnicheskaya str., Moscow, 105120, Russia, e-mail: p.golovkin@pluton.msk.ru
For citation: Golovkin P. A. Mechanisms of deformation of metals and alloys, used in electric vacuum microwave devices. Metalloobrabotka, 2020, no 5-6, pp. 27-34. DOI 10.25960/mo.2020.5-6.27
