Tartalomjegyzék Bevezetés... 2 Célkitűzés, témaválasztás... 3 Forrasztás... 4 Alapanyagok gazdasági vonatkozása... 22

Átírás

1 Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézet Mangán tartalmú ólommentes forraszanyagok gyártási technológia kidolgozása, mechanikai vizsgálatok elvégzése DIPLOMAMUNKA Készítette: Szurdán Szabolcs Konzulens Dr. Mende Tamás egyetemi docens Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézet Külső konzulens Dr. Medgyes Bálint egyetemi docens Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kar Elektronikai Technológia Tanszék Miskolc, 2017

2 Tartalomjegyzék Bevezetés... 2 Célkitűzés, témaválasztás Forrasztás A forrasztás elméleti áttekintése Ólomtartalmú forraszok Környezetvédelmi direktívák Az ólommentes forraszötvözetek Réz hatása forraszötvözetben Ezüst hatása forraszötvözetben Bizmut hatása forraszötvözetben Mangán hatása forraszötvözetben Alapanyagok gazdasági vonatkozása Az ezüst gazdasági jellemzése Az ón gazdasági jellemzése A SAC305 ötvözet és a +Mn ötvözet árának összehasonlítása A fejlesztő vállalat bemutatása A vállalat története A vállalat berendezéseinek bemutatása A kísérleti forraszötvözetek előállítása, gyártástechnológia tervezése Vizsgálatok és eredmények Lehűlési görbék felvétele Szövetszerkezeti vizsgálatok Keménységmérés Szakítóvizsgálat Forrasztási próbák vizsgálata Összefoglalás Köszönetnyilvánítás Irodalmi hivatkozások Mellékletek

3 Bevezetés A XXI. század elektronikai berendezések nélkül már elképzelhetetlen, melyeket folyamatosan fejlesztenek, egyre kisebb méret és súly, nagyobb jelterjedési sebesség és alacsonyabb ár elérése érdekében. Az elektronikai eszközök előállítása az elektronikai áramkörök szerelésével valósul meg, amiket főleg a forrasztási technológiával készítenek el, így a forrasztáshoz használt ötvözetek fejlesztése is célja a gyártóknak. A forraszötvözetekkel szemben támasztott követelmények a teljesség igénye nélkül: megfelelő elektromos vezetőképesség, megbízhatóság, alacsony sűrűség és költséghatékonyság. A hagyományosan használt forraszanyagok az ón ólom összetételű fémötvözetek, melyek kellően jó mechanikai és forrasztási tulajdonságokkal rendelkeznek és megfeleltek a fentebb említett elvárásoknak, egészen július 1. éig. Az Európai Unió különböző direktívákat vezetett be a veszélyes elemek használatára vonatkozóan. Az RoHS Restriction of Certain Hazardous Substances (ismert veszélyes elemekről szóló korlátozás) - amely szabályozza a veszélyes elemek használatát az elektronikai berendezésekben. A WEEE Waste Eletrical and Electrinic Equipment (elektromos és elektronikus berendezések hulladékairól szóló korlátozás) mely szabályozza a veszélyes elemeket tartalmazó elektromos és elektronikus berendezések hulladékainak feldolgozását, illetve újrahasznosítását. Tehát fontos szempont a fentebb említettek mellett, a környezetre és az emberi egészségre gyakorolt hatása is a forraszötvözeteknek, így az ólom tartalom minimalizálását tűzték ki célul és ezért széleskörű fejlesztések indultak az úgynevezett ólommentes forraszötvözetek területén. Az ólommentes forraszanyagok fejlesztése még napjainkban is folyik, mivel még nem sikerült kifejleszteni az ólom tartalmú forraszokat minden szempontból kiváltó ötvözetet. Az ólommentes forraszok problémái, a magas olvadáspont, a nem megfelelő nedvesítés a szubsztrát és a forraszanyag között, a különböző kialakuló forrasztási hibák, illetve a magas ár. Az iparban a legáltalánosabban és a leggyakrabban használt ón ezüst réz, az úgynevezett SAC háromalkotós fémötvözetek ötvözetei terjedtek el, mivel kellően jó mechanikai és, elektromos vezetési tulajdonság, nagy megbízhatóság, jó nedvesítés és nagy élettartam jellemzi. A mérnökök előtt, tehát a feladat adott, olyan forraszanyag kifejlesztése, amely minden szempontból helyt áll az elvárásoknak. Napjainkban rengeteg fejlesztési kísérlet zajlik az úgynevezett mikroötvözők adagolásával kapcsolatban, az alap mátrixhoz adott mikroötvözők segítségével csökkenthető az árat magasra emelő ezüst tartalom, illetve kellően jó mechanikai tulajdonságokat eredményeznek. 2

4 Célkitűzés, témaválasztás A diplomamunkám során az alacsony ezüsttartalmú, forraszötvözet fejlesztésének lehetőségeit vizsgáltam a különböző koncentrációban hozzáadott Mn, illetve Bi tartalom szerint. Célom volt egy olyan ólommentes forraszötvözet előállítása, amellyel kapcsolatban, a nemzetközi szakirodalomban már találhatóak adatok, de kellő részletességgel még nem ismert a felhasználók előtt. Fontos szempont számomra, hogy ne csak a mechanikai tulajdonságok szempontjából, hanem költségoldalról is egy megfelelő alternatívát lehessen nyújtani a piac számára. Összehasonlító ötvözetként az iparban legelterjedtebben használatos SAC305-ös ötvözetet választottam, és kerestem a SAC305-höz közel hasonló mechanikai tulajdonságokkal rendelkező, de árban sokkal kedvezőbb forraszötvözetet előállítani. Szakirodalmi kutatásaim alapján ezen célnak leginkább a Mn tartalmú forraszötvözet felelt meg, így kísérleteimhez ezt választottam. Első lépésként, fejlesztéseket végeztem a mangán ón alapanyagba történő beötvözésének lehetőségeire, valamint a mangán tartalom meghatározására vonatkozó vizsgálati módszerek lehetőségeit is megvizsgáltam. Ezután következett először a mangán a forraszötvözetre gyakorolt hatásának vizsgálata, mind a szövetszerkezet, megszilárdulási hőmérséklet és a mechanikai tulajdonságok vonatkozásában, ezen felül vizsgálatokat végeztem még ugyanezen szempontok szerint a mangán és a bizmut együttes hatására vonatkozóan. A kapott eredményeket összehasonlítottam az iparban elterjedten alkalmazott SAC305 -ös ötvözet tulajdonságaival. A kutatómunkámban kitérek még a gazdaságossági szempontok ismertetésére is, hiszen az ipar számára nem csak a megfelelő tulajdonságok számítanak egy forraszötvözettel kapcsolatban, hanem az ár is fontos szempont. A diplomamunkámban a mechanikai tulajdonságok meghatározására szakítóvizsgálatot, keménységmérést, a mikroszerkezeti tulajdonságok meghatározására fénymikroszkópos, illetve elektronmikroszkópos vizsgálatokat végeztem, valamint a forrasztott kötés mechanikai tulajdonság meghatározására nyíróerő vizsgálatot végeztem. 3

5 1. Forrasztás A forrasztás során a két összekötendő alkatrészt, e darabok anyagától eltérő összetételű fémötvözettel, az úgynevezett forraszanyaggal kötjük össze, amely folyamat végén egy oldhatatlan kötést alakítunk ki. A forrasztás során a következő lépések történnek, a hozaganyag megolvasztásával kezdődik a folyamat, majd a forrasztandó felületen a forrasz elterülése után (nedvesítés), az anyag megszilárdulásával, adhéziós diffúziós kötés alakul ki, ez esetben csak a forrasz olvad meg, az alkatrészek nem, így csökken az alkatrészek deformációjának valószínűsége. A forraszötvözeteket olvadáspontjuk szerint megkülönböztethetjük, létezik alacsony olvadáspontú, 450 C alatti forraszanyag, ennek a technológiáját lágyforrasztásnak nevezzük, jellemzően ón alapmátrixú fémötvözetek, a másik csoport a magas olvadáspontú, azaz 450 C feletti forraszanyagok, melyeket kemény forrasztás alkalmával használnak. [1,2] 1.1 A forrasztás elméleti áttekintése Az első és az egyik legfontosabb szempont a forraszanyag olvadáspontja. Az ötvözetek olvadáspontja azért fontos, mert az ólom tartalmú forraszok esetében a forraszanyag olvadáspontja körülbelül 70 C - kal az alkatrészek tűrése alatt van (lásd 1. ábra). Így a hősokk okozta deformációnak az esélye minimálisra csökken, mindemellett az alacsonyabb olvadásponttal kisebb a befektetett hőmennyiség, így a gyártási költséget is tudjuk csökkenteni, míg az ólommentes forraszok esetében látható, hogy az alkatrészek tűrése és a forrasz olvadáspontja között csak 30 C van, így a hősokk okozta deformációnak nagyobb a megjelenési valószínűsége, illetve a költségek is megnövekedek, mivel a forraszt magasabb hőmérsékletre kell felmelegíteni. [3] 1. ábra Forrasztás technológiai ablaka [3] A forraszötvözetünk olvadáspontja elérése után, olvadt állapotban oldania kell az összekötendő alkatrészek anyagát, amellyel adhéziós diffúziós kötést hozunk létre. A 4

6 megfelelő kötés biztosítása, akkor lehetséges, ha a forrasztási felületeket megtisztítottuk a felületi szennyeződésektől.[2,3,6] A másik fontos szempont, hogy a forraszötvözetünk megfelelő reológiai tulajdonsággal rendelkezzen, azaz cseppfolyós halmazállapotban kellően szét tudjon terülni a fémfelületen (nedvesítés). A nedvesítésnek fontos szerepe van a fémes kapcsolat kialakításában, a forraszanyag megtapadását, idegen szóval az adhéziót biztosítja. Ha nem kellően nedvesíti a felületet, a szűk furatokba nem tud behatolni a forraszanyag tökéletesen, gyenge forraszkötés alakul ki, így a mechanikai behatások szembeni ellenállóképessége nagymértékben lecsökken. [2, 4] A gyakorlatban forraszötvözetek mellett folyasztószert, fluxokat is alkalmaznak, melyek a feladata kettős, egyrészt megtisztítja a felületet az esetleges visszamaradt szennyeződésektől, illetve a felületen lévő natív oxid réteget távolítja el és fenn is tartja a kvázi oxidmentes állapotot, mivel a felületen marad, így nem érintkezik a levegővel a forrasztandó alkatrész. A forrasztás során a flux elpárolog a felületről, ez termékspecifikus, a forraszötvözet olvadáspontjához választják, biztosítva ezzel, hogy nem vagy csak kis mennyiségű folyasztószer marad vissza a felületen. A fluxok fejlesztésére is meglehetősen nagy számban történnek a fejlesztések, egyre inkább elterjedtek a no-clean flux típusok, melyeket alkalmazva a forrasztás végén semmi nem marad vissza a felületen a gyártók szerint. A forrasztás során a forrasztandó felület illetve a forraszanyag határán tipikusan néhány mikrométer vastagságú intermetallikus vegyület és/vagy réteg alakul ki. Ez egy rideg, törékeny szerkezet / réteg, amelynek a vastagsága (geometriája), kémiai anyagösszetétele, a vegyületek típusa hatással van a forrasztott kötés mechanikai szilárdságára. Ez többek között diffúzió útján alakul ki, így nagymértékben függ a forrasztandó felületek hőmérsékletétől, illetve a forrasztás időtartamától, minél nagyobb a hőmérséklet és, vagy az idő, annál inkább növekedhet a réteg vastagsága, ami alacsony mechanikai szilárdságot eredményez, csökkeni fog a kötés élettartama, megbízhatósága és akár a forraszréteg ledobása, azaz az ún. dewetting következhet be. Minél kisebb a hőmérséklet és az idő, annál kisebb a kialakult réteg vastagsága, ezáltal nem alakul ki a megfelelő vastagságú vegyületréteg, amelyet hidegforrasztásnak nevez a szakirodalom. A 2. ábrán látható egy sematikus ábra az intermetallikus réteg kialakulásáról. [2,4] 5

7 2. ábra Forrasztás elvi ábrája [2] Annak érdekében tehát, hogy biztosítani tudjuk az adhéziós diffúziós folyamat teljes végbemenetelét, a forrasztás során a forrasztandó felület hőmérsékletét a forraszanyag szolidusz hőmérséklete felett kell tartanunk, hogy az a felületen olvadék állapotban maradjon.[2,4,6] 1.2 Ólomtartalmú forraszok A lágyforraszok legáltalánosabb és legkedvezőbb tulajdonságú ötvözetei az ón ólom ötvözetek, amelyek alacsony olvadásponttal, nagyon jó forraszthatósági tulajdonsággal rendelkeznek, a hővezetés és áramvezetés megfelelő, a forrasztott kötés felülete fényes, mely a különböző optikai vizsgáló berendezésekkel jól vizsgálható, illetve a legolcsóbb forraszötvözetnek bizonyult, ezen előnyös tulajdonságoknak köszönhetően megbízható kötést biztosít. A 3. ábrán az ón - ólom kétalkotós fémötvözet fázisdiagramja látható. 3. ábra Az ón ólom kétalkotós egyensúlyi fázisdiagramja [7] 6

8 Az ólomtartalmú forraszanyagok közül két ötvözetet említenék meg, amelyet a leggyakrabban használnak, elektronikai berendezések forrasztása során, az egyik az Sn60Pb40 összetételű fémötvözet, a másik pedig az Sn63Pb37 ötvözet. Az utóbbi, eutektikus összetételű, olvadáspontja 183 C nál van és az összes fentebb említett előnyös tulajdonságokkal rendelkezik. Az ólomtartalmú ötvözetek használata során, csak az ón vesz részt a forrasztásban, az ólom nem, az ólom csökkenti az ón alacsony hőmérsékleten történő elridegedésének veszélyét. Azonban hiába a megfelelő forrasztás technológiai tulajdonságok sokasága, az ólom környezetre, illetve az emberi életre gyakorolt mérgező hatása miatt szükséges lett az ólom tartalmú anyagok kiváltása olyan forraszötvözetekre, amelyek kevésbé, vagy egyáltalán nem terhelik a környezetet, illetve az emberi életet sem befolyásolják károsan.[2] 1.3 Környezetvédelmi direktívák Néhány évvel ezelőtt az Európai Unió direktívákat dolgozott ki és léptetett életbe a különböző veszélyes elemeket tartalmazó ötvözetek iparban történő alkalmazásával kapcsolatban, illetve a veszélyes anyagokat tartalmazó elektronikai hulladék kezelésével és újrahasznosításával kapcsolatban. Az első ilyen környezetvédelmi előírás az RoHS,(Restriction of Hazardous Substances), direktíva. Az EU a 2000 es évek elején fogadta el a bizonyos veszélyes anyagok elektronikus és elektromos berendezésekben való használatának korlátozását. E direktíva előírja az EU tagállamainak, hogy korlátozzák az ólom, higany, kadmium, 6 vegyértékű króm, polibrómozott bifenil (PBB) és pilobrómozott difenil-éter (PBDE) alkalmazását, minden olyan elektronikai és elektromos berendezésekben, amelyek kereskedelmi forgalomba július 1. től kerülnek az Európai Unióban. A veszélyes anyagok korlátozására pontos számadatokat adtak meg az elektronikai berendezéseket felépítő anyag tömegéhez viszonyítva, tömegszázalékban kifejezve, a kadmium esetében 0,01%, míg a többi elem esetében a határ 0,1%. A direktíva különböző területekre engedélyezi a veszélyes anyag tartalmú ötvözetek használatát, például a hadiipar, űrtechnológiai alkalmazásokra, az egészségügy számára, illetve kivételt tesz a különböző veszélyes elemeket tartalmazó akkumulátorok, szabályozástechnikai alkatrészek, például légzsáknyitó berendezés gyártásával kapcsolatban, ahol életvédelmi funkciót lát el az áramkör, illetve ott, ahol még nem fejlesztettek ki bizonyos elemek kiváltására szolgáló ötvözeteket.[8, 10, 11] A másik környezetvédelmi direktíva az elektromos és elektronikus berendezések hulladékairól szóló korlátozás, rövidebb nevén a WEEE (Waste Electrical and Electrinic 7

9 Equipment), amely kimondja, hogy a veszélyes anyagokat tartalmazó elektronikai és elektromos berendezések begyűjtéséről, ártalmatlanításáról, illetve újrahasznosításáról gondoskodnunk kell. A nem újrahasznosítható berendezések esetében pedig szigorú környezetvédelmi előírásoknak megfelelő tároló helységek biztosítása szükséges. [8, 9 10, 11] Egy angol ügynökség tanulmánya szerint a következő termékek számítanak hulladéknak, használt háztartási eszközök része, vagy egésze, amelytől a tulajdonosa a viszonteladóknál megválik tőle, szemétgyűjtőbe helyezi, illetve a lomtalanítás alkalmával a hatóság elszállít. [12] A forrasztás oldaláról nézve, az ólom, mint veszélyes elem száműzése az elektronikai és elektromos berendezésekből, tehát környezetvédelmi, illetve életvédelmi szempontok miatt következett be. Az ólom különösen veszélyes elemek közé tartozik a különböző élettani hatásai miatt és ezért nem alkalmazható elektromos, illetve elektronikai berendezésekben. Az ólom tartalmú veszélyes anyaggal készült berendezések még a mai napig is használhatóak, de ahogy megértek a cserére, úgy ezen eszközöket a megfelelő tárolókban kell elhelyezni és a további felelősség a gyártót terheli, mivel köteles biztosítani a lejárt élettartamú berendezések elszállítását, illetve feldolgozását. [2, 13] 1.4 Az ólommentes forraszötvözetek Az 1.3. fejezetben említett szabályozások miatt az elektronikai berendezések gyártóinak át kell térniük az ólommentes forraszanyagokra, de nem a 2006 os években kezdték el az ólommentes forraszötvözetek fejlesztését, ezen ötvözetekkel kapcsolatosan már az 1900 as évek közepén elindultak a különböző kísérletek. A fejlesztések kezdetén a mérnököknek az volt az alapvető elvárásuk, hogy az új ötvözetek technológiai tulajdonságai minél jobban hasonlítsanak a hagyományos forraszötvözetekéhez. Néhány fontosabb tulajdonságot ki is emelnék: közel eutektikus összetétel legyen (alacsony olvadáspont), mechanikai, illetve az elektromos vezetési tulajdonságuk megfelelőek legyenek, élettartam jellemzői, azaz megbízhatóság szempontjából megfeleljen az elvárásoknak, kellően jól nedvesítse a forrasztandó felületet, illetve kompatibilis legyen az eddig használt forrasztási technológiákkal. [2, 14, 15] A fejlesztők a különböző tulajdonságokat figyelték meg az eddig használt ólomtartalmú ötvözetekhez viszonyítva. Az olvadáspontjuk átlagosan C kal magasabb, mely a technológiai folyamatokban nagyon sok problémát eredményez. A magasabb megömlesztési hőmérséklet eredményeképpen a forrasztás technológiai ablaka beszűkül (lásd 1. ábra), a forrasz olvadáspontja az alkatrészek tűrésének hőmérséklete alatt körülbelül 30 C - kal lesz, 8

10 így nagyobb hősokk éri az alkatrészeket, melynek hatására az alkatrészek elrepedhetnek, roncsolódhatnak. A nedvesítési tulajdonságuk rosszabb lesz, a forraszanyag hosszabb idő alatt terül szét a felületen, így nehezebb lesz forrasztani, mert az ólommentes forraszok felületi feszültsége általában nagyobb az ólomtartalmú forraszokhoz képest. A viszkozitásuk nagyobb, amelynek eredményeképpen megnövekszik a gázzárványok megjelenésének valószínűsége, porózus szerkezet alakulhat ki. Különböző forrasztási hibák is megjelenhetnek, például a whisker jelenség, sírkő effektus. Sűrűségük általában kisebb, ami kisebb fajlagos anyagfelhasználást eredményez. A forrasztott kötés felülete matt, az ólmos forraszokkal ellentétben, amely más elfogadási kritériumok meghatározását vonja maga után, nem vagy csak korlátozottan használhatóak az ólom tartalmú forraszok kötésére használt optikai vizsgáló berendezések vizsgálati módszerei. Az ólom kiváltása miatt az ón alapmátrixhoz adagolt ötvözők ára, illetve a magasabb olvadáspont miatt mind a gyártási költség, mind pedig az eladási ár nagymértékben növekedett. [2, 3, 16] Napjainkban a leginkább az ón van jelen a forraszanyagokban, mint alap mátrix, ehhez adagolnak hozzá különböző százalékokban ezüstöt, rezet, bizmutot, nikkelt, indiumot, antimont, germániumot, mangánt, illetve a jobb tulajdonságok érdekében ezen ötvözők sokszámú kombinációit. [2, 5, 17] Már az 1950 es évek végén megkezdték azon kísérleteket, amelyek során fejlesztik az ón mátrixú ólommentes, ón ezüst réz ötvözeteket, azaz úgynevezett SAC háromalkotós forraszanyagokat, amelyek napjainkban is a legtöbbet használt ötvözetek. A SAC elnevezés az ón (Sn) ezüst (Ag) réz (Cu) periódusos rendszer elemeinek a kezdőbetűiből származik, ritkán nevezik TSC ötvözetnek is, amely az angol elnevezések rövidítéseiből származtatható. Napjainkban a legelterjedtebben használt ötvözet a SAC305, ezt a megfelelő mechanikai, illetve nedvesítési tulajdonságainak tulajdoníthatjuk, de még ez az ötvözet sem tudja teljesen kiváltani az SnPb ötvözeteket. A legnagyobb hátránya az ára, a magas, 3% ezüsttartalma miatt, ez az egyik fő oka, hogy még most is zajlanak a különböző fejlesztések. Egy ígéretes lehetőség az ezüst tartalmának csökkentésére a különböző mikroötvözők alkalmazása ezüst helyett, amely során csökkenthető a piaci ár, valamint emellett jobb mechanikai tulajdonságokat is el lehet érni. [15] A következőkben, a teljesség igénye nélkül elterjedten alkalmazott mikroötvözők forraszötvözetekre gyakorolt hatását mutatom be. 9

11 Réz hatása forraszötvözetben Először is vizsgáljuk meg az ón réz kétalkotós rendszer egyensúlyi fázisdiagramját és jellemezzük, a különböző kialakult fázisokat. Mivel napjainkban a legtöbbet használt ötvözetekben a réz tartalom 0,5 1,0% között van, ezért a diagram jobb oldali kis szegmensét vizsgálom. Látható a 4. ábrán, eutektikus reakcióban 227 C on az olvadékból β-sn szilárdoldat, illetve Cu 6 Sn 5 intermetallikus vegyület kristályosodik, megfigyelhető azonban 186 C nál egy allotróp átalakulás, amely során a vegyület hexagonális rácsszerkezete átalakul monoklin rácsszerkezetté, ami térfogat növekedéssel járó folyamat, a kialakuló belső feszültségek miatt repedéseket eredményezhet a forraszanyagban. 4. ábra Ón réz kétalkotós egyensúlyi fázisdiagram [18] A réz, mint ötvöző hatást gyakorol a forraszanyag olvadáspontjára, csökkenti, illetve a forraszötvözet nedvesítési tulajdonságait javítja, növeli a hősokk okozta fáradással szembeni ellenálló képességét. [19] A mechanikai tulajdonságokra is előnyös hatással van, mind a szakítószilárdságra, rugalmassági modulusra, mind pedig a keménységre növelő hatással van.[20] A réz hatással van a forrasztás során kialakult intermetallikus réteg vastagságára, a réz tartalom növeléséven a réteg vastagsága növekszik, sajnos az intermetallikus rétegek vastagságának túlzott megnövekedésének eredményeképpen csökken a szakítószilárdság, a 10

12 törési szívósság valamint csökken a termikus kifáradási élettartama is, amely a forrasztott kötés megbízhatóságát rontja le. [21] Ezüst hatása forraszötvözetben Az ón- ezüst kétalkotós egyensúlyi fázisdiagramot megvizsgálva (5. ábra), látható, hogy 221 C- on eutektikum keletkezik, a keletkezett eutektikum β-sn szilárd oldatból és Ag 3 Sn intermetallikus vegyület fázisból áll. Az iparban leggyakrabban az eutektikus, vagy az eutektikushoz közeli forraszanyagot használnak, az alacsonyabb hőmérséklet és a kedvezőbb technológiai tulajdonságok miatt. 5. ábra Ón ezüst kétalkotós egyensúlyi fázisdiagramja [22] Shen Jun, Liu Yong -Chang és társaik leírják, hogy az ón-ezüst ötvözetek jobb kúszási és hő okozta anyagkifáradással szembeni ellenállással és jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek. [23] Az ezüst a rézhez hasonlóan csökkenti az olvadáspontot, valamint az olvadék nedvesítési tulajdonságát javítja. Hátránya, hogy nagy statikus mechanikai igénybevétel hatására károsodik a forrasztás. [15] Bizmut hatása forraszötvözetben Az ón-bizmut fázisdiagramon látható (6. ábra), hogy 20% bizmut koncentrációnál magasabb Bi esetén keletkezik eutektikum, ekkor 139 C-on az olvadékból ón szilárd oldat és bizmut keletkezik. Kisebb Bi koncentráció esetén az ón szilárd oldat kristályosodik, amely 11

13 szobahőmérsékleten nagyságrendileg 1-2% bizmutot képes oldani, így ennél magasabb Bi koncentráció kiválásokat okoz. 6. ábra Ón bizmut kétalkotós egyensúlyi fázisdiagram [23] A bizmut adagolásával (20% Bi koncentrációig) a forraszötvözet szolidusz hőmérséklete lecsökken, ezáltal a forrasztás technológia ablaka kiszélesedik, kisebb hősokk éri az alkatrészeket forrasztás során. Látható az 1. táblázatban, hogy az alap SAC 305 ötvözet estében a szolidusz hőmérséklet 217 C, amíg 1% hozzáadott bizmut tartalom növelésével csökken. [25] 1. táblázat Az ólommentes forraszötvözetek összetételei, illetve a kristályosodás kezdő és befejező hőmérsékletei [25] Ötvözők (%) Likvidusz Szolidusz Forraszötvözet hőmérséklet hőmérséklet Sn Ag Cu Bi ( C) ( C) Sn-3Ag-0,5Cu 96,5 3 0, Sn-3Ag-0,5Cu-1Bi 95,5 3 0, ,5 213 Sn-3Ag-0,5Cu-3Bi 93,5 3 0, ,5 207 A 7. ábrán a SAC305 ötvözetről készített fénymikroszkópos felvételek láthatóak. A bizmut hozzáadásával a β Sn dendritek mérete lecsökken, azaz a szekunder dendrit ág távolság (SDAS) csökken és az ezüstös eutektikum mennyisége megnő. Látható, hogy már 1% hozzáadott bizmut esetén a dendritek mérete csökken, majd a további Bi ötvözéssel a tendenciai folytatódik. 12

14 7. ábra Fénymikroszkópos felvételek a különböző ötvözetek szövetszerkezetéről, a) SAC305, b) SAC305Bi1, c) SAC305Bi3 [25] A 8. a) és b) ábra a különböző öregítési hőmérséklet utáni állapotokat mutatja 1% hozzáadott bizmut tartalom esetén készült elektronmikroszkópos felvételeken. Megfigyelhető hogy a szerkezet ón dendritet, valamint Cu 6 Sn 5 és Ag 3 Sn intermetallikus vegyületeket tartalmaz. A 8. c) és d) ábrán látható ugyanazon öregítési hőmérsékletek utáni állapot utáni felvétel 3% bizmut tartalom esetében, megfigyelhető, hogy már bizmut kiválások is megjelennek a szerkezetben, ami tovább növeli a forraszötvözet szakítószilárdságát illetve a folyáshatárát. 8. ábra Bizmuttal ötvözött SAC305 forraszötvözet öregítés utáni pásztázó elektron mikroszkópos felvételek, a) SAC305Bi1 120 C öregítési hőmérséklet 100 óra hőntartás, b) SAC305Bi1 170 C, 100 óra, c) SAC305Bi3 120 C, 100 óra és d) SAC305Bi3 170 C és 100 óra [25] El-Daly és társai a SAC157 ötvözethez 1% és 3% -ban bizmutot adagoltak és vizsgálták, a különböző mechanikai tulajdonságok változását a bizmut tartalom függvényében, amely során azt tapasztalták, hogy a növekvő bizmut tartalom növeli mind a szakítószilárdság, rugalmassági modulus és az egyezményes folyáshatár értékét. A szakítószilárdsági diagram 13

15 esetében látható, hogy már 1% hozzáadott bizmut közel 50% - kal megnöveli a szakítószilárdsági értékeket, majd 3% bizmut tartalomnál 150% - os a növekedés. Szintén növekedés figyelhető meg az egyezményes folyáshatár és a rugalmassági modulus esetében is. A nyúlási értékek a bizmut tartalom növelésével fordítottan arányos, így az csökken az ötvözés növelésével. (9. ábra) [26] 9. ábra Különböző, 25 C és 70 C on, azonos alakítási sebességgel (1,15 x 10-3 s -1 ) elvégzett szakító diagramok a SAC157, SAC157Bi1 és a SAC157Bi3 ötvözetek esetében[26] Jie Zhao és társai a következőkben azt vizsgálta, hogy hogyan hat az öregítés hatása a bizmuttal ötvözött forraszanyagokkal végzett forrasztott kötések tulajdonságaira. Az öregítési vizsgálat azért is fontos, mivel az elektronikai berendezések a használatuk során felmelegszenek, illetve lehűlnek, egyfajta igénybevételnek is ki vannak téve. A 10. a) ábrán látszik, hogy a szakítószilárdság az alap SAC305 ötvözet esetében 60 MPa ról 35 MPa-ra esik vissza növekvő öregítési hőmérséklet mellett. Az 1% hozzáadott bizmut tartalom hatására a szakítószilárdsági érték 5 MPa kal nagyobb és az öregítési hőmérséklet emelésével az értékek csökkenése már csak 10 MPa, míg 3% bizmuttal ötvözött forrasz esetében a szilárdsági érték szobahőmérsékleten további 15 MPa lal növekedett, míg a hőmérséklet növelésével nem változik. [25] 14

16 A 10. b) ábrán a nyúlás látható az öregítési hőmérséklet függvényében, amelyen látható, hogy a SAC305 ötvözet nyúlása nagymértékben (65% -kal) növekszik a hőmérséklet emelésével, majd az 1% -os bizmut tartamú ötvözet esetében ez a növekedés már csak 10%, a 3% - os bizmut tartalom esetében is 10% - os a növekedés. [25] 10. ábra A SAC305, SAC305Bi1 és a SAC305Bi3 ötvözet szakítószilárdsága (a) és a nyúlása (b) az öregítés hőmérsékletének függvényében [25] A 11. ábra bemutatja a mikrokeménység változását különböző öregítési hőmérsékleteken. Látható, hogy a SAC305 forrasznak a mikrokeménysége az öregítési hőmérséklet emelésével csökken. A SAC305Bi1 ötvözet esetében a kezdő érték 18 HV ről indul és a hőmérséklet emelésével 10 HV-ra csökken, amíg a SAC305Bi3 forraszanyag esetében a szobahőmérsékleti mikrokeménység 26 HV ről indul és a hőmérséklet növelésével számottevően nem változik. [25] 11. ábra A SAC305, SAC305Bi1 és a SAC305Bi3 ötvözet mikrokeménysége az öregítés hőmérsékletének függvényében [25] Összességében elmondható, hogy a bizmut adagolásával számunkra kedvező változások lépnek fel mind a mechanikai tulajdonságokban, mind pedig az intermetallikus rétegek kialakulásával kapcsolatban. 15

17 Mangán hatása forraszötvözetben A 12. ábra az ón mangán kétalkotós fázisdiagram részletét mutatja be, melyről leolvasható, hogy 231 C on eutektikus reakcióban az olvadék β-sn szilárd oldattá, valamint MnSn 2 intermetallikus vegyületfázissá alakul át. Az ón nagyon kevés mennyiségű mangánt képes oldani, nagy valószínűséggel már kis mangántartalom esetében is kiválások jelennek meg a szövetszerkezetben. 12. ábra Ón mangán egyensúlyi kétalkotós fázisdiagram részlet [27] A mangán is szemcsefinomító hatással van a SAC ötvözetek szerkezetére, látható a 13. ábrán, hogy már 0,15% hozzáadott mangán esetén a SDAS 33% - kal lecsökken a SAC305 ötvözethez viszonyítva, viszont a mangán további adagolás nincs további szemcsefinomító hatással a szövetszerkezetre. A SDAS csökkenése növeli az alap mátrix keménységét. [28] 16

18 13. ábra Ón dendritek szekunder dendrit ág távolság (SDAS) mennyiségi adatai [28] Li Wei Lin és társai által készített fénymikroszkópos felvételen (14. ábra) látható a mangán szemcsefinomító hatása, az a) ábrán a SAC305 ötvözet szövetképe tekinthető meg, a fehér részen az ón dendritek, körülötte pedig a viszonylag nagy mennyiségű eutektikum, a b) ábra a SAC ötvözetek 1% ezüsttartalmú ötvözet szövetképét ábrázolja. Látható (14 b). ábra), hogy kisebb mennyiségű eutektikum keletkezik, ezzel szemben viszont az ón dendritek mennyisége megnő. Ehhez az alapmátrixhoz 0,15% mangánt adagolunk, akkor a szerkezet finomabb szemcseméretű lesz, valamint MnSn 2 intermetallikus vegyületek keletkeznek, (14. c) ábra), a további mangán ötvözés hatására, az intermetallikus fázisok mérete növekszik, a szekunder dendrit ág távolságára nincs hatással (14. d) ábra ). [28] 17

19 14. ábra Fénymikroszkóppal készült szövetszerkezeti kép a) SAC305, b) SAC105, c) SAC105Mn0,15 ás d) SAC105Mn0,5 ötvözet esetében [28] Jenn-Ming Song és társai kísérleteiből kiderül, hogy a mangán hatással van a forrasztás során kialakult intermetallikus réteg vastagságára. A 15. ábra szemlélteti a forrasztás során, illetve öregítés után kialakult IMC rétegek vastagsági méreteit. A forrasztott kötés IMC réteg vastagsága a SAC105Mn ötvözet esetében 1-11.µm között változik, azonban az öregítés hatására a réteg átlagos vastagsága 5 µm ről 9 µm re növekszik, miközben a szórása nagymértékben lecsökken. A tanulmány szemlélteti az IMC réteget felépítő Cu 3 Sn és a Cu 6 Sn 5 rétegek vastagságát, amelyből kiderül, hogy a mangánnal ötvözött alacsony ezüsttartalmú ötvözet esetében, közvetlenül a forrasztandó felület és a forraszanyag között kialakuló Cu 3 Sn réteg vastagsága, illetve a Cu 3 Sn és a Cu 6 Sn 5 réteg vastagságának aránya fogja meghatározni a kötés szívósságát, ez minél nagyobb, annál nagyobb a kötés szívóssága. [29] 18

20 15. ábra Az IMC rétegek vastagsága a) a teljes intermetallikus rétegvastagság forrasztott kötés esetében, b) a teljes intermetallikus rétegvastagság forrasztott kötés esetében öregítés után, az egyes intermetallikus vegyületrétegek vastagsága, c) Cu6Sn5 és d) Cu3Sn esetében [29] A 16. ábra az öregítés utáni állapotot mutatja, megfigyelhető, az egybefüggő IMC réteg és láthatóak az egyes rétegek, azaz a Cu 3 Sn és a Cu 6 Sn 5 rétegek is. [29] 16. ábra A forrasztott kötés öregítés utáni szövetszerkezete és a kialakult IMC réteg Cu szubsztrát esetében, a) SAC305, b) SAC105, c) SAC105RE és d) SAC105Mn [29] 19

21 A mangán a mechanikai tulajdonságokat nem befolyásolja számottevően, a SAC105 ötvözethez viszonyítva a 0,15% - os mangántartalom a szakítószilárdságot és a rugalmassági modulust kismértékben csökkenti, azonban a nyúlást nagymértékben, 20%- kal megnöveli. (17. ábra) [28] 17. ábra A különböző elemekkel, különböző mennyiségben mikroötvözött, ötvözetek mechanikai tulajdonságai az ötvözés függvényében, E- rugalmassági modulusz, R m szakítószilárdság[28] Kimutatták, hogy bár a mangánnal ötvözött alacsony ezüsttartalmú ötvözet IMC rétegvastagsága megnő, azonban hosszabb öregítési ciklusok után a vastagság kisebb mértékben növekszik és a szövetszerkezet is finomabb marad, ennek köszönhetően így a nyírószilárdság sem csökken jelentősen a SAC305 és a SAC105 ötvözetekhez viszonyítva. [30] Dr. Ning Chang Lee kísérleteiben megfigyelhető, hogy egy bizonyos SACM ötvözetet vizsgált, amelynek pontos összetételét nem hozta nyilvánosságra. Az első tesztje a JEDEC ejtési teszt volt, amelyen a mangánnal mikroötvözött alacsony ezüsttartalmú forrasz meglepően teljesített. Köztudott, hogy az ezüsttartalmú forraszok rosszul viselik a statikus mechanikai igénybevételt. A 18. ábrán látható, hogy a SACM ötvözet messze felülmúlja, az eddig ismert ötvözetek mechanikai tulajdonságait az ejtési teszt eredményei alapján. [30] 20

22 18. ábra Ejtési ellenállás alakulása a különböző ötvözetek esetében (JEDEC ejtési teszt) [30] A következő lépésben a hőmérséklet - ingadozást vizsgálták a következő módon, a minták környezeti hőmérsékletét -40 C és C között változtatták, a ciklusidőt 42 percnek választották, amelyből 11 perc volt a fel- illetve lehűtés, valamint 10 perc volt a hőntartási idő. A hőmérséklet - változások alatt folyamatosan történt az ellenállások értékeinek detektálása és kiértékelése (19. ábra). Hibásnak számított a kötés, amikor az ellenállás mértéke a mérés során 20%- os növekedést mutatott. [30] 19. ábra A hőmérséklet változás okozta mechanikai fáradás alakulása a különböző ötvözetek esetében [30] Az alacsony ezüsttartalmú forraszok mangánnal történő ötvözése során kiküszöbölhető az a negatív tulajdonság, hogy a hőmérséklet - változás okozta mechanikai kifáradásnak kevésbé állnak ellen. Dr. Lee cikkéből kiderül, hogy a mangán ötvözés hatására kiemelkedő jó ejtési, illetve fáradási ellenállás biztosítható az alacsony ezüsttartalmú forraszok esetében is, így csökkentve az ezüst piaci árától való függést. [30] 21

23 2. Alapanyagok gazdasági vonatkozása Az alapanyagok árazása az OTC nem tőzsdei kereskedés - piacokon jellemzően egy referencia árhoz viszonyítva történik, ez pedig általában valamelyik fémtőzsdének egy adott időszakra vonatkozó elszámoló ára (cash & settlement). Ez a kötés szempontjából jelenthet napi (spot) árat vagy egy időszak átlagát (heti vagy havi), illetve lehet kereskedni származtatott termékekkel, jellemzően futures ügyletekkel is a tőzsdéken. Ezeknek a határidős piacoknak az árai szintén befolyásolhatják a megállapodás árát. Ezekhez jön hozzá a kereskedői prémium, ami egyrészt tartalmazza a kötés díját a tőzsdén, a kereskedő hasznát és a fizetési és szállítási feltételekből származó költségeket (hitelbiztosítás, hitelkamat, szállítás) is. A SAC ötvözetek árat nagymértékben az ezüst és az ón határozza meg, így fontosnak tartom e fémek jellemzését a különböző tényezők árra vonatkozó hatásai szempontjából Az ezüst gazdasági jellemzése Az ezüst nemesfém, ezért a befektetők előszeretettel fordulnak egy gazdasági sokk esetében felé, mint menedék felé. A nemesfémeknek az emberek nagy jelentőséget tulajdonítanak az értékállósága és beválthatósága miatt. Ilyenkor a befektetők, spekulánsok, fedezeti alapok nagyon gyakran választják ezt a menekülési formát. Az ára dollárban meghatározott ezért különösen érzékeny az amerikai gazdasági tényezőkre, mint választások, vagy sokk esetben az amerikai adóssági adatokra. Negatív sokkok, vagy várakozások esetén jellegzetesen ellentétesen mozog a fém ára a nagyobb tőzsdei indexekhez képest. A makrogazdasági stimuláló hatások keresletnövekedés, vagy az ipari felhasználás miatti növekedés szintén árfelhajtó hatású, azaz ez is emelheti az árat, hiszen a kereslet növekedését prognosztizálják. A pszichológiai tényezők is befolyásolják az árakat. Itt is érvényesül egy húzó hatás, azaz egy emelkedés vagy zuhanás magával hordozza, hogy egyre több és több szereplő száll be az adott mozgásba, ami hirtelen elindítja az árakat, majd kivált egy ellentétes irányú kiigazítást. Az ezüst árának időbeli alakulását a 20. ábra mutatja be. 22

24 2.2. Az ón gazdasági jellemzése 20. ábra Az ezüst árának változása 2000 jelenleg [32] Az ón ipari fém, az árra vonatkozóan az iparági hatások döntőek. A legnagyobb felhasználók között az elektronika van, ezen belül is az autóipar, így ez a felhasználás különösen hangsúlyos. Az ón ritka fémnek számít, bányászata a Föld elég szűk részére koncentrálódik, ezek közül a legjelentősebb Kína, amely esetben az állami befolyás az árakra nem elhanyagolható, áresések esetében a kínálat visszatartása, ugyanezen állapot áll fenn a másik nagy kitermelő esetében Indonéziában. A kitermelési költségek is befolyásolják az árat, ha a gazdaságosan kitermelhető készlet alatt van a kitermelési mennyiség, akkor a vállalatok termelése nem megtérülővé válik, így gazdasági érdekük a kínálat visszavágása és ez által az árak növelése, valamint az ónbányászat energiaigényessége miatt a kőolaj világpiaci árával az ón ára nagyon korrelál. Az ón árának időbeli alakulását a 21. ábra mutatja be. 21. ábra Az ón árának változása [33] 23

25 2.3. A SAC305 ötvözet és a +Mn ötvözet árának összehasonlítása A diplomamunkám egyik fő témája, a forraszötvözetek árának összehasonlítása gazdasági szempontból. A SAC305 ötvözet ára, a viszonylag magas ezüst tartalma miatt magas. Az ötvözetek árának alakulását a 2. táblázat szemlélteti. 2. táblázat A ötvözetek árának alakulása, az előző havi átlagár (2017. április) alapján számolva Ötvözet Ötvözet ára (Ft/kg) Mn0, Mn0,1Bi Mn0, Mn0,4Bi Mn0, Mn0,7Bi SAC Látható, hogy a kísérleti ötvözetek ára lényegesen (38%-kal) olcsóbb a SAC305 ötvözethez képest, amely bizonyos esetekben jelentős költségmegtakarítást jelenthet. Itt el kell, hogy mondjam, a kísérleti ötvözetek alacsonyabb mechanikai tulajdonsággal rendelkeznek, mint a SAC305 ötvözet, de az áruk is alacsonyabb. Ahol a mechanikai igénybevétel alacsonyabb és megengedhető az alacsonyabb mechanikai tulajdonsággal rendelkező forraszok alkalmazása, ott nem szükséges a drágább ötvözet használata. 3. A fejlesztő vállalat bemutatása Az alacsony ezüsttartalmú forraszötvözetek előállításához szükséges berendezéseket, illetve anyagokat a Metalloglobus Fémöntő és Kereskedelmi Kft. biztosította részemre. A Fémöntő Kft. budapesti telephelyén gyárt különböző iparágak, hadiipar, egészség ipar, hajóipar, forraszipar, valamint gyárt magánszemélyek, hobbi modellezők számára különböző ötvözeteket, amelyeket a következő fejezetekben ismertetek A vállalat története A Metalloglobus Fémöntő Kft. 90 évvel ezelőtt indult el, az akkori Metalloglobus Zrt. néven, amely akkoriban egy cégcsoportként működött, több telephellyel rendelkezett. Weiss Manfréd alapításával indult el a vállalat az 1920 as évek elején, abból a célból, hogy a cégcsoporton belüli gépgyárait fémalapanyagokkal ellássa. A II. világháború után a vállalat 24

26 állami tulajdonba került, államosították a többi vállalattal együtt, majd így folytatta tovább a tevékenységét. A cég egyeduralkodó volt a színesfémek területén, egyedül csak rajta keresztül történhetett a színesfémek kereskedése, mind eladási, mind vásárlási oldalon. A több éves színesfém kereskedés során több megkeresés is érkezett a színesfém hulladékok felvásárlásával kapcsolatban, így a vezetés úgy döntött az 1960 as évek végén, hogy megalapítja a Fémöntöde üzemet, ahol a fémhulladékok felvásárlását, valamint újrahasznosítását végezték, az első években, csak tömb-, illetve pálcaöntéssel foglalkoztak, de néhány év elteltével úgy gondolták, hogy betörnek a forrasztás iparágba. Az 1970 es évektől különböző présgépeket és huzalhúzó gépek beszerzését indították meg és ezzel elkezdődött a forraszanyagok gyártása. A rendszerváltás után a cég ismét magánkézbe korábbi menedzsertulajdonba - került, majd az üzletágak átszervezésre kerültek és kialakultak a mai üzletcsoportok, a cégcsoporton belül a forraszanyagok gyártása is ide került. Az évek során Részvény Társasággá vált holdingból, a Fémöntöde egykori vezetője Vlaszák Mihály vásárolta meg e privatizált üzemet és január 1. jétől Metalloglobus Fémöntő és Kereskedelmi Kft. ként kezdte meg működését. A vállalat a mai napig független cégként törekszik kedvező helyzetét megtartani a piacon, megfelelve a napjaink kihívásainak és előírásainak ben kidolgozásra került a cégnél az ISO 9001 szabvány szerinti minőségbiztosítási rendszer. Az ISO 9001:2008 szabvány szerinti előírásoknak való megfelelőséget a DNV (DET NORSKE VERITAS) tanúsítja A vállalat berendezéseinek bemutatása A vállalat 2 iroda-, 2 üzem-, 1 raktár-, illetve 1 laborépülettel rendelkezik. Az első üzem az úgynevezett öntő üzem, ahol nagyobb mennyiségben az alapanyagok ötvözését, illetve a felvásárolt hulladékok újrahasznosítását végzik. Ebben az épületben helyezkedik el egy ikerüst, amelyek egyenként ólomra vonatkoztatva 5 tonna, ónra pedig 3 tonna kapacitásúak. Ezen üstök fűtése gázégőkkel történik, a maximális elérhető anyaghőmérséklet 500 C 650 C között van. Az ikerüst egyik felét csak és kizárólag a napjainkban nagyobb mennyiségben gyártott ólommentes termékek gyártásához használják, elkerülve ezzel az esetleges ólomszennyezést. Ezen részen helyezkedik el még egy billenő üst illetve egy 500 kilogrammos grafitüst, amely esetben a maximális elérhető anyaghőmérséklet C, e berendezéseket a magasabb olvadáspontú alapanyagok, réz, illetve ötvözetek ón-ezüst, bronz gyártásához használják. Az öntőcsarnok másik részén szintén egy 5 tonna kapacitású acél üst helyezkedik el, amelyet ón-ólom tartalmú, bádogos pálca, ötvözetek 25

27 gyártásához alkalmaznak, illetve itt kapott helyet egy 500 tonnás vertikális prés is amellyel különböző átmérőjű (5 mm 12 mm), különböző összetételű PbSb (ólom-antimon) ötvözetek préselését végzik. A másik üzem a huzalhúzó, amelyben 3 db 250 tonnás terhelő erejű horizontális prés, 3 db tömböntő gép, valamint 2 x 2 db húzógép kapott helyett, a berendezések közül egyet egyet csak az ólommentes termékek gyártásához használnak, az estleges szennyeződések elkerülése érdekében. A Fémöntő Kft. laboratóriuma jól felszerelt, rendelkezik egy szikragerjesztésű argon semleges gázzal működő spektroszkóppal, amellyel az ötvözetek szennyezőanyag tartalmát 0,001% pontossággal tudják meghatározni, illetve nedves kémiai méréseket is el tudnak végezni. A nedves kémiai mérésekkel az ón, antimon, réz tartalmát határozzák meg 0,1% pontossággal. A vállalat vállal különféle vizsgálatokat is, forraszfürdők, forraszötvözetek, valamint eladásra szánt hulladékok anyagminőségre vonatkozó vizsgálatait is. 4. A kísérleti forraszötvözetek előállítása, gyártástechnológia tervezése A mangánnal ötvözött forraszokról még szűkszavúan fogalmaz a szakirodalom, bizonyos tulajdonságokat vizsgáltak meg, azonban egyik cikkben sem találtam utalást a forrasz anyag előállítási paramétereire vonatkozóan. Ezért a diplomamunkám első részében kísérleteket végeztem a különböző mangán tartalommal ötvözött ólommentes forraszötvözetek technológiai paramétereinek kidolgozására. A kísérletek során számos megoldandó probléma lépett fel, mivel már első nekifutásra is ipari körülmények között végeztem az ötvözetek előállítását, ez alatt a szabadlevegőn történő olvasztást értem, amelynek káros hatása a nagy mennyiségű fém oxid (salak) képződés. Az oxidképződés csökkenthető, ha az olvadék felületére faszenet szórunk, amely elzárja az olvadékot a levegő oxigénjétől. A rendelkezésemre álló berendezés egy gázégővel fűtött grafit üst, amellyel a legmagasabb elérhető anyaghőmérséklet C (lásd 22. ábra). 26

28 grafit üst fémolvadék ötvöző grafit harangok 22. ábra A forraszanyag mangánnal történő ötvözése grafit üstben Az ötvözések folyamata során, első lépésként az alacsony ezüsttartalmú előötvözetet készítettem el, majd az előötvözet kiöntése után elvégzett összetételre vonatkozó szikragerjesztésű optikai emissziós spektrométeres labormérések után elméleti számítást végeztem a különböző (0,1%; 0,4%; 0,7%) százalékban ötvözött mangántartalmú forraszanyagok előállítása érdekében. Ezután következtek a kísérletek, különböző hőmérsékleteket és hőntartási időket próbáltam ki (lásd 3. táblázat), a táblázatban szereplő adatok +-30 C-kal veendők figyelembe. 3. táblázat A forraszanyag mangánnal történő ötvözésének paraméterei Hőmérséklet Hőntartási idő Ötvözés 400 C 1,5 h Nem sikerült 600 C 1,5 h Nem sikerült 800 C 1,5 h Nem sikerült 800 C 3 h Sikerült A kísérleti mintákat a Metalloglobus Fémöntő Kft. nél már nem tudtam megvizsgálni etalon hiányában, ezért a mintákat a Miskolci Egyetem Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézetében vizsgáltam meg egy kézi XRF röntgen vizsgáló berendezéssel. Az XRF röntgen vizsgálat az úgynevezett röntgenfluoreszcens spektrometria, amely egy emissziós vizsgálati módszer. E módszer lényege, hogy ha egy mintát egy erős és folytonos röntgensugárzással sugározzuk be, akkor a belső héjakon (K, L, M, stb.) lévő elektronokat a röntgen fotonok kiütik, majd a magasabb héjakon lévő elektronok ezekbe a lyukakba ugranak be, más energia szintre kerülve, a két állapot energia különbségét röntgen fotonok kibocsátása mellett adják le. A kilépő fluoreszcens sugárzás hullámhossza jellemző a kibocsátó elemre, ez 27

29 által minőségi elemzésre használható, az intenzitása pedig a mennyiségre hagy következtetni bennünket, így mennyiségi elemzéseket is végezhetünk a berendezéssel. [31] A mangán forraszötvözetbe történő oldásakor számolnunk kell jelen paramétereket figyelembe véve körülbelül 20-30% veszteséggel. A tiszta mangánt (Mn 99,9%) elektrolízis útján állítják elő. Ebből következően a tiszta mangán lapok formájában kapható (lásd 23. a) ábra) és mivel a mangán könnyen oxidálódik, ezért ötvözéskor a nagy fajlagos felület miatt egyszerűen kiég az olvadékból, beszínezve ezzel a tömb felületét (lásd 23. b) ábra). a) b) 23. ábra Mangán alapanyag lap formában a) ábra, a kísérleti forraszötvözet öntött állapotban b) ábra A mangánnal mikroötvözött alacsony ezüsttartalmú kísérleti ötvözetek összetételi eredményei 4. táblázatban láthatóak. Ezen kívül egy SAC305 ötvözetet, mint etalon ötvözetet is megvizsgáltam, majd a mérési eredményeimet ehhez az ötvözethez viszonyítom, mivel ez az elektronikai iparban az egyik legnagyobb mennyiségben használt SAC ötvözet. 4. táblázat A forraszötvözetek összetételei XRF alapján (tömeg%) Ötvözet Ón% Ezüst% Réz% Mangán% Bizmut% Mn0,1 R 0,35 0,77 0,08 - Bi1Mn0,1 R 0,33 0,74 0,06 1,02 Mn0,4 R 0,36 0,8 0,49 - Bi1Mn0,4 R 0,32 0,75 0,36 1,05 Mn0,7 R 0,4 0,82 0,69 - Bi1Mn0,7 R 0,39 0,8 0,6 1,01 SAC305 R 3,05 0, A kész ötvözeteket különböző szempontok szerint vizsgálom, első lépésként ipari módszerrel mértem az ötvözetek lehűlési paramétereit, majd ezek után a leöntött darabokból metszetek készültek. A hosszmetszeteken csiszolást, polírozást és maratást végeztem, majd végül fénymikroszkópos és pásztázó elektronmikroszkópos felvételeket készítettem. A 28

30 keresztmetszeteken pedig keménységmérést végeztem. Az ötvözeteimből szakító próbatesteket is öntöttem, amelyet szakító vizsgálat alá vetettem, hogy visszajelzést nyerjek az ötvözetek szakítószilárdságáról, folyáshatáráról, valamint a nyúlásról. Végül az ötvözeteimmel próbaforrasztásokat végeztem és megmértem a forrasztott kötések nyírószilárdságát a forrasztás utáni állapotban, 80 C-os 190 órás öregítés után, majd 80 C-os 360 órás öregítés után. 5. Vizsgálatok és eredmények 5.1. Lehűlési görbék felvétele Az ötvözetek 400 C - on történő megolvasztása után, az olvadékot mind a 6 esetben 250 C ra előmelegített acél kokillába öntöttem, az ötvözet hőmérsékletét (a próbatest közepén) egy termoelem segítségével mértem, a lehűlés során az idő-hőmérséklet adatpárokat pedig számítógépes adatrögzítővel gyűjtöttem és rögzítettem. Ennek összeszerelt állapotát és a mérés folyamatát a 24. ábra szemlélteti. 24. ábra A lehűlési adatok rögzítésére alkalmazott eszközök, a) a berendezés összeszerelt állapotban, b) az olvadék hőmérséklet mérése kristályosodás közben Minden egyes ötvözet esetében a lehűlési görbe felvételét kétszer végeztem el, a fentebb említett körülmények mellett, majd az adatokat egy lehűlési diagramon ábrázoltam, lásd 25. ábra. a) b) 29

31 Hőmérséklet * C] Mn0,1 Mn0,1 Mn0,1Bi1 Mn0,1Bi1 Mn0,4 Mn0,4 Mn0,4Bi1 Mn0,4Bi1 Mn0,7 Mn0,7 Mn0,7Bi1 Mn0,7Bi Idő * s+ 25. ábra Ötvözetek lehűlési diagramja A meglévő adatokból (derivált értékek előállítása után) (lásd 26. ábra) a fázisátalakulások hőmérsékletét is meg tudom határozni. Ezen értékeket az összetétellel kapcsolatba hozva meg lehet állapítani az egyes ötvöző elemek fázisátalakulási hőmérsékletekre vonatkozó hatásait. A forraszötvözetek esetén célunk a minél alacsonyabb megszilárdulási (megolvasztási) hőmérséklet elérése. 30

32 Hőmérséklet [ C] Hőmérséklet [ C] T/ t ( C/s) Mn0,4 Mn0,4 Mn0,4 derivált Mn0,4 derivált 250 0, , ,2-0,4-0, , Idő [s] ábra Mn0,4 ötvözet lehűlési görbe és a derivált függvény 230,0 225,0 likvidusz hőmérséklet Eutektikus hőmérséklet 220,0 215,0 210,0 205,0 200,0 195,0 Mn0,1 Mn0,1Bi1 Mn0,4 Mn0,4Bi1 Mn0,7 Mn0,7Bi1 27. ábra Kristályosodás kezdő és befejező hőmérséklete az összetétel függvényében Kísérleteim során megállapítottam, hogy a kristályosodás kezdő hőmérséklete ilyen mértékű ötvözéstől nem függ, változatlan marad viszont a befejező hőmérséklete, ahogy az irodalomban is olvasható, csökkenthető (7 C-kal) (lásd 27. ábra). Forraszötvözetek esetében az egyik cél, hogy a kristályosodás befejező hőmérsékletét csökkentsük, ezáltal kiszélesedek a 31

33 forrasztás technológiai ablaka, igazolva ezzel az általam már említett 1.4. fejezetbe foglaltakat Szövetszerkezeti vizsgálatok Az öntött, hengeres alakú próbadarabokat félbevágtam, majd a keresztmetszeteken csiszolást és polírozást, valamint maratást végeztem. A próba-előkészítés folyamata a következő volt: vizes csiszolás: P320, P500, P800, P1200, P2000 és P4000 csiszolópapíron polírozás: 3 μm, 1 μm gyémántpasztával bekent posztón polírozás + maratás: 1 μm-es OP nevű folyadékkal bekent posztón, amely a maratást is elvégezte A készre polírozott darabokon szövetszerkezeti vizsgálatokat végeztem egy Zeiss AxioVision Imager típusú fénymikroszkóp (lásd 28. a) ábra), illetve egy Zeiss EVO MA10 típusú pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) segítségével (lásd 28. b) ábra), amelyhez az összetétel elemzésére egy EDAX típusú mikroszondát alkalmaztam. a) b) 28. ábra A szövetszerkezet vizsgálatokhoz használt berendezések, a) Zeiss AxioVision Imager típusú fénymikroszkóp, b) Zeiss EVO MA10 típusú pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) A fénymikroszkópos vizsgálatok esetében a használt mikroszkóp a látható fényt használja a képalkotáshoz, míg a SEM esetében már elektronsugárzást alkalmaz a berendezés a képalkotáshoz, ami lehetővé teszi a több ezerszeres nagyítást is. A pásztázó elektronmikroszkóphoz csatlakoztatott energiadiszperz mikroszonda segítségével elemezni tudjuk az ötvözetekben kialakult fázisok összetételét. 32

34 A következő ábrákon a fénymikroszkóppal készült felvételek láthatóak minden egyes ötvözet esetében (29. ábra). a) b) c) d) 29. ábra Fénymikroszkóppal készült felvételek 200X nagyításban, a) Mn0,1, b) Mn0,1Bi1, c) Mn0,4, d) Mn0,4Bi1, e) Mn0,7, f) Mn0,7Bi1 A pásztázó elektronmikroszkóppal készített felvételeket mutatom be, valamint az EDS (energiadiszperz mikroszonda) segítségével mért összetételek táblázatos eredményeit, valamint a spektrumokat, lásd ábra. e) f) 33

35 a) Ag 3 Sn Cu 6 Sn 5 β-sn + Ag 3 Sn β-sn b) Sn c) 2-es pont Element tömeg % atom % Ag Sn Mn Cu Total Ag Mn Cu d) 1-es pont Element tömeg % atom % Ag Sn Mn Cu Total e) f) 3-as pont Element tömeg % atom % Ag Sn Mn Cu Total es pont Element tömeg % atom % Ag Sn Mn Cu Total ábra Mn0,1 ötvözet a) pásztázó elektronmikroszkópos felvétele 1000x-es nagyításban, b) a 2-es pontban felvett spektruma, c) 2-es pontban, d) az 1-es pontban, e) 3-as pontban, f) 4-es pontban felvett spektrum összetétele 34

36 a) β-sn MnSnCu Cu 6 Sn 5 Ag 3 Sn Bi b) Sn c) 2-es pont Element tömeg % atom % Bi Ag Sn Mn Cu Total Mn Bi Ag Cu d) 1-es pont Element tömeg % atom % Bi Ag Sn Mn Cu Total e) 3-es pont Element tömeg % atom % Bi Ag Sn Mn Cu Total f) 4-es pont Element tömeg % atom % Bi Ag Sn Mn Cu Total ábra Mn0,1Bi1 ötvözet a) pásztázó elektronmikroszkópos felvétele 500x-os nagyításban, b) a 2-es pontban felvett spektruma, c) 2-es pontban, d) az 1-es pontban, e) 3-as pontban, f) 4-es pontban felvett spektrum összetétele 35

37 a) MnSnCu β-sn Cu 6 Sn 5 Ag 3 Sn b) Sn c) 2-es pont Element tömeg% atom% Ag Sn Mn Cu Total Mn Ag Cu d) 1-es pont Element tömeg% atom% Ag Sn Mn Cu Total e) 3-as pont Element tömeg% atom% Ag Sn Mn Cu Total ábra Mn0,4 ötvözet a) pásztázó elektronmikroszkópos felvétele 1000x-os nagyításban, b) a 2-es pontban felvett spektruma, c) 2-es pontban, d) az 1-es pontban, e) 3-as pontban felvett spektrum összetétele 36

38 a) Bi β-sn MnSnBi Cu 6 Sn 5 Ag 3 Sn b) Sn c) 1-es pont Element tömeg% atom% Bi Ag Sn Mn Cu Total Bi Ag Mn Cu d) 2-es pont Element tömeg% atom% Bi Ag Sn Mn Cu Total e) 3-as pont Element tömeg% atom% Bi Ag Sn Mn Cu Total ábra Mn0,4Bi1 ötvözet a) pásztázó elektronmikroszkópos felvétele 1000x-es nagyításban, b) a 1-es pontban felvett spektruma, c) 1-es pontban, d) az 2-es pontban, e) 3-as pontban felvett spektrum összetétele 37

39 a) β-sn MnSnCu b) Sn c) 1-es pont Element tömeg% atom% Bi Ag Sn Mn Cu Total Bi Ag Mn Cu d) 2-es pont Element tömeg% atom% Bi Ag Sn Mn Cu Total ábra Mn0,7 ötvözet a) pásztázó elektronmikroszkópos felvétele 500x-os nagyításban, b) a 1-es pontban felvett spektruma, c) 1-es pontban, d) az 2-es pontban felvett spektrum összetétele 38

40 a) β-sn Ag 3 Sn Bi MnSn 2 Cu 6 Sn 5 b) Sn c) 2-es pont Element tömeg% atom% Bi Ag Sn Mn Cu Total Bi Ag Mn Cu d) e) f) 1-es pont Element tömeg% atom% Bi Ag Sn Mn Cu Total as pont Element tömeg% atom% Bi Ag Sn Mn Cu Total es pont Element tömeg% atom% Bi Ag Sn Mn Cu Total ábra Mn0,7Bi1 ötvözet a) pásztázó elektronmikroszkópos felvétele 500x-os nagyításban, b) a 2-es pontban felvett spektruma, c) 2-es pontban, d) az 1-es pontban, e) a 3-as pontba, f) a 4-es pontban felvett spektrum összetétele A SEM felvételeken látható, hogy a bizmut tartalmú ötvözetek esetében a Bi nagyobb mennyiségben csepp alakú csoportos kiválásként jelenik meg. A szerkezetben keletkezik a SAC ötvözetekre jellemző Ag 3 Sn intermetallikus vegyület és a Cu 6 Sn 5 intermetallikus 39

41 vegyület. A mangán hozzáadásával MnSn 2 intermetallikus vegyület fázisok, továbbá a bizmuttal és a rézzel alkotott ternér intermetallikus vegyület fázisok is keletkeznek. A Cu 6 Sn 5 és MnSn 2 fázisok rudas szerkezetű kiválásokat alkotnak Keménységmérés Egy anyag keménysége alatt, annak egy külső mechanikai hatással szembeni ellenállását értjük. Az általam végzett keménységmérés vizsgálat során egy négyzet alapú gyémántgúla nyomószerszámot meghatározott erővel és meghatározott ideig a vizsgálandó ötvözetek felületébe nyomunk és a keletkezett négyzet keresztmetszetű lenyomatot vizsgáljuk. A lenyomat átlóinak a hosszát mérjük le, majd az eredményeket átlagoljuk, és az átlag értékekből már kiszámolható a keménység értéke. A keménységi értékek következtetni engednek az ötvözetek mechanikai tulajdonságaira. A vizsgálataimhoz egy Instron Wilson Tukon 2100 B gyártmányú vickers keménységmérő berendezést alkalmaztam (lásd 36. ábra) 0,3 kg terhelőerővel és 10 szekundumos terhelési idővel. A kapott értékeket a 5. táblázat szemlélteti. 36. ábra Instron Wilson Tukon 2100 B gyártmányú keménységmérő berendezés 40

42 HV 0,3 5. táblázat Az előállított ötvözetek vickers keménységi eredményei Ötvözet Átlag Szórás Mn0,1 8,4 10,5 8,6 9,0 8,2 8,94 0,82 Bi1Mn0,1 13,2 13,5 15,5 15,4 12,8 14,08 1,14 Mn0,4 9,9 8,8 9,0 8,8 9,6 9,22 0,45 Bi1Mn0,4 15,6 15,2 17,2 13,8 15,6 15,48 1,09 Mn0,7 8,7 8,6 9,7 9,8 10,0 9,36 0,59 Bi1Mn0,7 16,0 15,1 14,4 15,6 16,7 15,56 0,78 SAC305 12,9 13,4 13,2 14,1 13,5 13,42 0,40 A keménységi értékeket oszlop diagramon is ábrázoltam, lásd 37. ábra ,08 15,48 15,56 13, ,94 9,22 9, Mn0,1 Mn0,1Bi1 Mn0,4 Mn0,4Bi1 Mn0,7 Mn0,7Bi1 SAC ábra A kísérleti forraszanyagok keménységi értékei A diagramon látható, hogy a keménységi értékek az ötvözés hatására növekednek. Ha csak a mangán keménységnövelő hatását figyeljük, látható, hogy az értékek növekedése nem számottevő, a 0,1 tömeg% mangán tartalom esetén a keménység 8,94 HV0,3, míg további 0,3 tömeg% mangán hozzáadásával a keménység 3%-kal, míg a 0,7 tömeg% mangán tartalmú forrasz ötvözet esetében további 1,5%-kal növekedett. Azonban, ha a forraszötvözetekhez hozzáadjuk az 1% Bi-ot, akkor a keménységi értékek jelentősen megnövekednek. A Mn0,1 ötvözet esetében a kiinduló értékhez képest 57%-kal, azaz 14,08 HV0,3-ra növekedett, a másik két esetben is ugyan ez a növekvő tendencia figyelhető meg, amelyek 41

43 értéke 67% volt mindkét esetben. A diagramon észrevehető, hogy az iparban leggyakrabban alkalmazott SAC305 ötvözet keménységi értékénél magasabb keménységi értékeket értem el a bizmut keménység növelő hatásának köszönhetően Szakítóvizsgálat Az ötvözetekből hengeres szakító próbatesteket készítettem, a 400 C os fémolvadékot egy 250 C-ra előmelegített acél szerszámba öntöttem. Az előmelegítés azért szükséges, mert így csökkentjük az esetleges zárványok megjelenésének esélyét. Az öntőszerszám, illetve a leöntött állapotú hengeres próbatestet a 38. ábra szemlélteti. a) b) 38. ábra Szakító próbatest öntő formája a), illetve a szakító próbatest leöntött állapotban b) Az így készült hengeres darabokból a DIN EN szabványnak megfelelő szabványos szakító próbatesteket munkáltunk ki. A szabványnak megfelelő szakító próbatest elvi vázlatát a 39. a) ábra sematikusan, a b) ábra pedig a saját darabjaimat mutatja be. a) b) 39. ábra Szakító próbatest sematikus ábrája a) [34], illetve a saját próbadarabok megmunkált állapotban b) ábra A szabványos próbatesteken egy Instron 5982 típusú 10 tonnás univerzális anyagvizsgáló berendezéssel végeztem el a szakítóvizsgálatokat. (lásd 40. ábra) 42

44 Húzófeszültség [kn] 40. ábra Instron 5982 típusú univerzális anyagvizsgáló berendezés A szakító kísérletet állandó sebességű, 3 mm/perc egytengelyű húzó igénybevétellel az ötvözetek tönkremeneteléig, szakadásig, végeztem. A kísérlet során detektáltuk a terhelést, a feszültséget, illetve a keresztfej elmozdulását. A detektált adatokból szakítódiagramot készítettem (lásd 41. ábra), amely segítségével meghatározható a szakítószilárdság, a 0,2%-os alakváltozáshoz tartozó feszültség értékek, azaz az egyezményes folyáshatár, illetve a nyúlás, amelyek a ábrán tekinthetők meg Nyúlás [%] 41. ábra Mn0,4Bi1 ötvözet szakító diagramja 43

45 Nyúlás [%] Egyezményes folyáshatár R p0,2 [MPa] Szakítószilárdság R m [MPa] Mn0,1 Mn0,1Bi1 Mn0,4 Mn0,4Bi1 Mn0,7 Mn0,7Bi1 SAC ábra Szakítószilárdsági értékek a különböző ötvözetek esetében Mn0,1 Mn0,1Bi1 Mn0,4 Mn0,4Bi1 Mn0,7 Mn0,7Bi1 SAC ábra Egyezményes folyáshatár értékek a különböző ötvözetek esetében Mn0,1 Mn0,1Bi1 Mn0,4 Mn0,4Bi1 Mn0,7 Mn0,7Bi1 SAC ábra Nyúlás értékek a különböző ötvözetek estében 44

46 Az elvégzett szakító vizsgálati eredmények alapján látható, hogy a Mn, illetve Bi ötvözők hozzáadásával a szakítószilárdsági és az egyezményes folyáshatári értékek növekednek, míg a nyúlás értékek csak kissé növekednek. A legjobb eredményt a Mn0,4Bi1 ötvözet, illetve a Mn0,7Bi1 ötvözet mutatja. A Mn0,4Bi1 ötvözet szakítószilárdság értéke 40%-kal magasabb, mint a SAC305 ötvözet szakítószilárdság értéke, a nyúlás értékek pedig közel azonosak Forrasztási próbák vizsgálata Célom az volt, hogy mindenképp készítsek egy forrasztási próbát is és valamely iparban is végzett vizsgálati módszer alapján össze tudjam hasonlítani az általam elkészített ötvözeteket a SAC305 ötvözettel. Már a kezdetekben probléma lépett fel, milyen formába állítsam elő a forraszanyagot és hogyan juttassuk a számomra legyártott nyomtatott huzalozású lemez (NyHL) felületére (lásd 45. ábra). A legtökéletesebb és a legjobban szabályozható technológia a paszta formában történő adagolás lett volna, de sajnos nem tudtam forrasz pasztát készíteni ebből az ötvözetből. A NyHL 38x36 mm négyzet szelvényű lemezt, a forrasztási felületek (PAD-ek) méretét 1x1 mm-re, anyagát pedig immerziós ezüstnek (iag) választottam. 45. ábra Nyomtatott huzalozású lemez Végül a megoldás az lett, hogy a Metalloglobus Fémöntő és Kereskedelmi Kft. nél 1 mm átmérőjű huzal formájában legyártották nekem, majd egy ötvös duó-hengerállvánnyal tovább alakítottam 0,26 mm vastagságú szalag végtermékké (lásd 46. ábra). 45

47 46. ábra Ötvös duó-hengerállvány Ezek után következett a szalag feldarabolása kézi ollóval, amelyet végül a méret szerinti válogatás követett, a válogatás szabad szemmel történt, ezért a forraszanyag NyHL-re történő felhordásának mennyisége körülbelül 10%-os hibával vehető figyelembe. A forraszötvözetek felvitele a mérőlemezre a következő lépésekben történt (47. ábra) a NyHL megtisztítása izo-propil-alkohollal (IPA) folyasztószer (X típusú) felvitele a mérőlemezre mérőlemezek (NyHL) megtisztítása IPA-val flux adagolása a forrasztási felületekre a forraszötvözet lapok felvitele a forrasztási felületekre X típusú folyasztószer flux forraszötvözet lap nyomtatott huzalozású lemez (NyHL) 47. ábra A forraszötvözet felviteléhez szükséges eszközök és segédanyagok Ezek után következett az ellenállások beültetése, ahol 0 ohmos felületszerelhető (SMD) 0603-as méretkódú ellenállásokat használtam. Egy SMT Systems DIMA típusú pneumatikus beültető berendezéssel végeztem a beültetést (lásd 48. és 49. ábra). 46

48 48. ábra SMT Systems Dima típusú pneumatikus beültető berendezés 49. ábra Az SMD ellenállás a beültetés pillanatában Ötvözetenként 4 db mérőlemezen végeztem el a forrasztási kísérleteket, lemezenként 16 db ellenállással, ami összesen 64 db mérési pontot jelent majd. A forrasztást egy Euro Circuits gyártmányú elektromos infrasugaras újraömlesztéses (ReFlow) berendezéssel végeztem (lásd 50. ábra), miközben a hőmérsékleti értékeket számítógépen regisztráltam, így megkaptam a mérőlemez hőmérsékletének időbeni lefutását (hőprofilt). 47

49 Hőmérséklet [ C] 50. ábra Euro Circuits típusú újraömlesztéses kemence Minden ötvözet esetében ugyan azt a hőprofilt használtam (lásd 51. ábra) Hőprofil Idő [perc] 51. ábra Az újraömlesztéses forrasztás hőprofilja Minden egyes ötvözet típussal elvégzett forrasztások után meg kellett győződnöm arról, hogy a forrasztás megfelelő kötést alakított-e ki vagy sem, így minden egyes mérőlemez esetében megmértem az ellenállásokat egy (négyvezetékes módszer) Hewlett Packard 34401A Multiméter mérőkészülék segítségével (lásd 52. ábra), és a kapott értékeket egy táblázatba foglaltam össze (lásd mellékletben). Minden egyes mérőlemez esetén az ellenállás 220 és 250 mohm között változott, így megállapítható, hogy a forrasztott kötések hibátlanul kialakultak, mivel ha valamely kötés nem lett volna megfelelő, szakadás lenne, akkor az ellenállás ugrásszerűen megnövekedett volna. 48

50 52. ábra A 4 vezetékes mérési elrendezés Hewlett Packard 34401A Multimeter típusú mérőberendezéssel A mérésekkel alátámasztva látható, hogy a forrasztott kötések megfelelnek az elvárásoknak, így most már a forrasztott kötések nyíró igénybevételű terheléssel szembeni ellenállását vizsgáltam egy Dage 2400 típusú letoló-erő mérő berendezéssel, lásd 53. ábra. b) a) 53. ábra a) Dage 2400 típusú letoló-erő mérő berendezés, b) a letoló-nyíróerő mérése vizsgálat közben A vizsgálatokat először közvetlenül forrasztás utáni állapotban, majd 190 órás öregítés után és végül 360 órás öregítés után végeztem el, az öregítés hőmérséklete konstans 80 C volt (lásd 6. táblázat). 49

51 Terhelés [N] 6. táblázat A kísérleti forraszötvözetek letoló-nyíróerő mérési eredményeinek átlaga Letoló-nyíró erő [N] Ötvözet Forrasztás után 190 órás öregítés után 360 órás öregítés után Mn0,1 25,4 30,2 30,5 Bi1Mn0,1 28,1 33,6 34,9 Mn0,4 16,3 18,3 20 Bi1Mn0,4 18,2 22,8 25,4 Mn0,7 20,2 21,3 25,2 Bi1Mn0,7 22,6 26,7 26,2 SAC305 43,2 43,4 44,3 A táblázatban szereplő adatokat diagramon szemléltetem (lásd 54. ábra) Forrasztás után 190 órás öregítés után 360 órás öregítés után Mn0,1 Mn0,1Bi1 Mn0,4 Mn0,4Bi1 Mn0,7 Mn0,7Bi1 SAC ábra A kísérleti forraszötvözetek letoló-nyíróerő mérési eredményei A kísérleti eredményeket megtekintve észrevehető, hogy minden egyes ötvözet esetében az öregítés hatására növekednek a nyíró erő értékek. A mangán tartalmú ötvözetek esetében az öregítési idővel számottevően növekszik a nyíró erő, a kísérleti ötvözetek közül a legközelebb lévő Mn0,1Bi1 ötvözet esetében a kezdeti 28,1 N értékről 19 órás 80 C-on történő öregítés után közel 20%-ot emelkedett és további 170 órás öregítés után további 4%-ot növekedett, szemben a SAC305 ötvözettel. A Mn0,1Bi1 ötvözet esetében a forrasztás után 18,2 N volt a mechanikai igénybevétellel szembeni ellenállás értéke, majd 190 órás öregítés után 24,5%-ot, a 360 órás öregítés után további 11,5%-ot növekedett. A SAC305 ötvözet értékei magasabbak, a forrasztás utáni állapotban végzett kísérlet eredményei alapján, 50

52 a nyíró-erő 43,2 N volt és ez az öregítés hatására kis mértékben változott, 190 óra után 0,5%- ot, míg 360 órás öregítés után is csak további 2%-ot emelkedett. A mérési eredmények tehát alátámasztják a külföldi folyóiratokban említett eredményeket, mivel is a mangán ötvözés hatása, az öregítés idejének növelésével, a mechanikai igénybevétellel szembeni ellenállása, azaz a nyíró-erő értéke növekszik. A letoló-erő vizsgálat után a NyHL felületén keletkezett törési felületekről SEM felvételeket készítettem (55. ábra) 55. ábra A forrasztott kötés törési felülete 50X-es nagyításban A felvételről megállapítható, hogy a felületen a forraszanyag maradt vissza, így nem történt PAD felszakadás, így megbizonyosodtam arról, hogy a letoló-erő vizsgálat a forraszanyag mechanikai tulajdonságáról adott visszajelzést. Összefoglalás Az irodalomkutatásom során a SAC forraszanyagok bizmuttal illetve mangánnal történő ötvözésének lehetőségeit kutattam. A talált cikkekben szereplő eredmények alapján állíthatjuk, hogy előnyös tulajdonságot eredményeznek az ötvözők. A bizmut előnyös tulajdonságainak köszönhetően a SAC ötvözetek szakító szilárdsága, keménysége, valamint a folyáshatára növekszik. A kristályosodás befejező hőmérsékletét csökkenti, ami számunkra előnyt jelent, hiszen kiszélesedik a forrasztás műveleti ablaka. A bizmut adagolásával a forraszanyag nyúlása csökken, majd az ötvözés hatására bizmut kiválások jelennek meg, amelyek feszültséget eredményeznek a rácsban, a forrasz meghibásodását eredményezheti. 51