Bizmut tartalom hatásának vizsgálata ólommentes forraszanyagok tulajdonságaira SZAKDOLGOZAT

Átírás

1 Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Kar Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézet Bizmut tartalom hatásának vizsgálata ólommentes forraszanyagok tulajdonságaira SZAKDOLGOZAT Készítette: Gál Alexandra Konzulensek: Vargáné Molnár Alíz tudományos segédmunkatárs Dr. Gácsi Zoltán, egyetemi tanár Miskolc, 2015.

2 Köszönetnyilvánítás Ez úton szeretnénk köszönetet nyilvánítani mindenkinek, aki lehetővé tette munkámat, segítette feladatomat és részt vett a dolgozat megszületésében. Elsősorban Vargáné Molnár Alíznak, amiért támogatta, tanácsokkal és szaktudással látta el, és felügyelte a dolgozat elkészítését, illetve részt vett a vizsgálatok kivitelezésében. Köszönettel tartozom az alábbi személyeknek: Dr. Gácsi Zoltán, a Fémtani és Képlékeny-alakítástani Intézeti Tanszék vezetője, hogy lehetővé tette a műhelyében való munkálatokat, és ez által a dolgozat megvalósítását. Molnár István, MSc hallgató, az öntési folyamatokban segédkezett. Bán Róbert, szakmunkás, a vizsgálatra szánt mintákat munkálta ki az öntött ötvözetekből. Márkus Zoltánné, laboratóriumi vezető, a mikroszkópiai vizsgálatokra készítette elő a mintákat csiszolás és polírozás útján. Kovács Árpád, tudományos munkatárs, elkészítette számunka a pásztázó elektronmikroszkópos felvételeket. Mikó Tamás, laboratóriumi vezető, a szakítóvizsgálatokat szakszerűen elvégezte és az eredmények kiértékelésében segédkezett. Bodnárné Nyári Napsugár, a keménységvizsgálatok elvégzéséért. Köszönet illeti a Metalloglobus Fémöntő és Kereskedelmi Kft.-t, amiért a mérésekhez rendelkezésemre bocsátotta az ötvözeteket.

3 Tartalom Bevezetés Metalloglobus Fémöntő és Kereskedelmi Kft. bemutatása Cég története Tevékenységük Irodalmi összefoglalás Forrasztással kapcsolatos tudnivalók Környezetvédelmi szabályozások Ólommentes forraszanyagok Sn-Cu kétalkotós fázisdiagram elemzése Ag-Sn kétalkotós fázisdiagram elemzése Sn-Ag-Cu forraszötvözet általános jellemzése Bizmut hatása Az elvégezett vizsgálatok és eredmények bemutatása Vizsgálatokhoz szükséges minták elkészítése Szövetszerkezet vizsgálat Szakítóvizsgálat Keménységmérés Összefoglalás Irodalomjegyzék Melléklet Fénymikroszkóppal készített képek Pásztázó elektronmikroszkóppal készített képek Szakítódiagramok

4 Bevezetés Napjainkban az elektronikai eszközök minden területen részévé váltak az életünknek. A gyártók között kialakult verseny a jobb eladhatóság érdekében szükségessé teszi a fejlesztéseket. Elsődleges szempontjuk, hogy a kész termékeket minél kisebbé, könnyebbé és gyorsabb működésűvé tegyék, valamint csökkenteni tudják az előállítási költségeket. Mindezek mellett az sem elhanyagolható, hogy a gyártásukkal mennyire terhelik az emberi egészséget és környezetet tól EU tagállamaiban működő gyártóknak erre fokozottan oda kell figyelniük, ugyanis az Európai Unió bevezette a termékek veszélyesanyagtartalmának korlátozásáról (RoHS = Restriction of Certain Hazardous Substances) és az elektromos és elektronikus berendezések hulladékairól (WEEE = Waste Electrical and Electronic Equipment) szóló környezet- és egészségvédelmi irányelveket, melyben korlátozzák a toxikus anyagok alkalmazását az elektromos és elektronikus berendezésekben. Ennek értelmében a korábbiakban forrasztáshoz használt ón-ólom ötvözetek, melyek minden szempontból helyt álltak a gyártástechnológiában, a gyártóknak el kell hagyniuk és fokozatosan át kell állniuk ólommentes ötvözetek használatára. A folyamatos fejlesztések, kutatások már több versenyképes terméket előállítottak. Az iparban leginkább az SAC (Sn- Ag-Cu) ötvözetei terjedtek el, mint ólommentes forraszanyagok, azonban ezek se tudják tökéletesen kiváltani az ólomtartalmú forraszötvözeteket. Legnagyobb hátrányuk, hogy drágábbak az ezüsttartalmuk miatt, valamint C-al magasabban van az olvadáspontjuk, emiatt nagyobb hősokk éri az alkatrészeket és sérülhetnek az elektronikus kapcsolások szerkezeti elemei. A feladat tehát nem egyszerű, hogy olyan új ólommentes ötvözeteket fejlesszenek ki, amelyek minden szempontból megfelelnek a követelményeknek. Nyári gyakorlatomat a forraszanyagok gyártásával foglalkozó Metalloglobus Fémöntő és Kereskedelmi Kft.-nél töltöttem. Innen merült fel az ötlet, hogy a cég által gyártott különböző ólom és ólommentes forraszötvözetek tulajdonságait vizsgáljam és hasonlítsam össze. Szakdolgozatomban a régóta alkalmazott és jól bevált ólom tartalmú Sn-37%Pb, a mostanában legelterjedtebb ólommentes SAC 305 (Sn-3%Ag-0,5%Cu) és a Bi tartalom változásának hatását vizsgáltam Sn-Ag-Cu forraszanyagok tulajdonságaira. A vizsgálatok során mechanikai (szakítóvizsgálat, keménységmérés) és mikroszerkezeti (fénymikroszkópos, pásztázó elektronmikroszkópos) vizsgálatokat végeztem. 2

5 1. Metalloglobus Fémöntő és Kereskedelmi Kft. bemutatása 1.1. Cég története A cégcsoport története majdnem 90 éves múltra tekint vissza. A Metalloglobus Fémipari és Kereskedelmi Részvénytársaságot a Weiss Manfréd által megalapított csepeli WM Acél- és Fémművek Rt hozta létre 1923-ban. A második világháború után a céget államosították a többi vállalattal együtt. A fémöntöde 1968-ban alakult meg, itt dolgozták fel a fémhulladékokat és erre alapozva kezdtek el forraszanyagok gyártásával foglalkozni. Az első prések és húzógépek az 1970-es évek közepén kerültek a cég telephelyére. Csak a rendszerváltás után került ismét magánkézbe a vállalat, amikor is az üzletágakat átszervezték és önálló csoportokká alakultak. Ekkor a forraszanyagok gyártása is ehhez a cégcsoporthoz került. A Fémöntő üzemet 2004-ben az egykori cégvezető Vlaszák Mihály vásárolta ki az időközben Rt-vé alakuló holdingból, azóta pedig a vállalkozás Metalloglobus Fémöntő és Kereskedelmi Kft. néven, független cégként igyekszik helytállni a piacon, megfelelve a kor kihívásainak és előírásainak, mint a minőségbiztosítás (1992 óta rendelkezik ISO minősítéssel) és az RoHS-nek megfelelő ólommentes forraszanyagok gyártása Tevékenységük Olyan ón vagy ólom alapú színesfémötvözetek gyártásával foglalkoznak, amelyeknek az öntési hőmérséklete nem haladja meg az C-ot. Ezeket az ötvözeteket a cég a vevő igényeinek megfelelő formába alakítja, mind összetételileg és formailag, ebből adódóan igen széles tevékenységi körrel rendelkeznek. Gyártanak hagyományos ón-ólom és az RoHS direktívának megfelelő ólommentes (Metallon termékcsalád) forraszötvözeteket tömb, huzal és pálca formában. A cég által gyártott forraszötvözetek az 1. és 2. táblázat tartalmazza. Összetétel Szolidusz- Likvidusz ( C) 1. táblázat Ólomtartalmú forraszok Összetétel Szolidusz- Likvidusz ( C) Összetétel Szolidusz- Likvidusz ( C) Pb65Sn Pb98Ag Sn63Pb Pb70Sn Pb95SnAg1, Sn90Pb Pb80Sn Pb88Sn10Ag Pb50Sn50Sb Pb92Sn Sn50Pb Pb98Sn Sn60Pb

6 2. táblázat Ólommentes forraszok Megnevezés Összetétel Szolidusz-Likvidusz ( C) Metallon A ,0Sn-3,0Ag Metallon A ,5Sn-3,0Ag-0,5Cu Metallon A ,5Sn-3,8Ag-0,7Cu 217 Metallon A ,0Sn-4,0Ag Metallon C ,0Sn-1,0Cu 227 Metallon C ,0Sn-3,0Cu Metallon C ,5Sn-1,0Cu-0,5Ni 227 Metallon S ,0Sn-5,0Sb Metallon A ,1Sn-0,3Ag-0,6Cu Metallon A ,7Sn-0,3Ag Metallon Sn100 99,9Sn 232 Tiszta ólomból (Pb99,97) illetve ólomötvözetekből 3 mm és 10 mm közötti átmérőjű huzalokat tudnak készíteni. Ezek a huzalok alkalmasak a továbbiakban például lőszer vagy horgászsúlyok gyártására. Különböző átmérőjű és falvastagságú csövek gyártását is lehetővé teszik a préselő berendezések. Ezen kívül öntenek még üvegprofilokat, tőkesúlyokat vitorlás hajókhoz, egyéb súlyokat járművekhez, ablakokhoz, izotóptégelyeket vagy akár csak tömböket a kért ötvözetből. Készítenek csapágyfémeket is, valamint egy 2012-es nyertes pályázat eredményeképpen elkezdtek gyártani modellezők számára alacsony olvadáspontú, jó folyási tulajdonságokkal rendelkező modellfémeket is a hagyományos öntészeti termékeken túl. Az öntöde a következő gépekkel és berendezésekkel rendelkezik: gáztüzelésű olvasztóüstök magas hőmérsékleten olvadó anyagok olvasztására alkalmas grafitüstök pálcaöntő és darabológép nagy nyomású présgépek huzalhúzó gépek töltetes forraszhuzal gyártására alkalmas gépek 4

7 2. Irodalmi összefoglalás 2.1. Forrasztással kapcsolatos tudnivalók Forrasztással, a hegesztéshez hasonlóan, oldhatatlan kötések készíthetők. Az összekötendő elemeket az elemek anyagától eltérő összetételű fémötvözettel egyesítjük, amit forraszanyagnak vagy röviden forrasznak hívunk. A forraszanyag megolvasztásával, majd megszilárdulásával jön létre a kötés. Előnyük, hogy a forrasztás az összekötendő részek megolvasztása nélkül jön létre, így a készre munkált alkatrészeket lényeges alakváltozás nélkül össze lehet kötni. Mivel a legtöbb esetben forrasztott kötést az elektronikai eszközökben alkalmazunk, legfontosabb tulajdonságuk, hogy jó elektromos vezetést biztosítsanak a két forrasztandó felület között. Valamint a forraszanyagnak mindig az összekötendő fémek anyagától kisebb olvadáspontú anyagnak kell lennie és a forrasztási hőmérsékleten oldaniuk kell egymást. Olvadáspontjuk szerint két csoportba soroljuk a forraszanyagokat: a kis olvadáspontú (450 C alatti) fémeket és ezek ötvözeteit lágyforraszoknak, a nagy olvadáspontúakat (450 C feletti) és ezek ötvözeteit keményforraszoknak nevezzük. A lágyforraszok közé soroljuk az ón (olvadáspontja 232 C), ólom (327 C), bizmut (271 C), kadmium (321 C), cink (420 C) és ötvözeteiket. Ezen belül beszélhetünk kis hőmérsékletű lágyforraszokról, melyek az ónalapú ötvözetek (Sn-Pb, Sn-Bi, Sn-Ag), valamint nagy hőmérsékletű lágyforraszokról, ahová a Zn-Sn, Zn-In, Cu-Sn, Au-Si ötvözetek tartoznak. A keményforraszok közül legelterjedtebbek az ezüst (960 C), arany (1063 C), réz (1083 C) és ötvözeteik [1,2]. Másik fontos követelmény, hogy a forraszanyagnak jó nedvesítési tulajdonsággal kell rendelkeznie, azaz könnyen szét kell tudnia terülni a fémfelületen. A nedvesítés mértéke befolyásolja az adhéziót, azaz a forraszanyag és a forrasztandó fém közötti tapadást. Ha a forraszanyag a szilárd fém felületén nem nedvesít jól, akkor gyenge kötés jön létre, ami a mechanikai hatásoknak nem fog tudni jól ellenállni. Sok esetben szűk furatokba kell beforrasztani az alkatrészeket, vagy csövek, drótok közötti kis hézagokba is be kell tudnia folyni a forraszanyagnak, amihez szintén jó nedvesítési tulajdonság szükséges [2,3]. A megfelelő nedvesítés elősegíthető folyasztószerekkel, más néven fluxokkal, melyek kémiai tisztítást is végeznek a felületen. Közvetlenül a forrasz előtt haladva oxidmentesítik a fémet és megakadályozzák az újabb oxidképződést. Ez forrasztás közben elpárolog, ezért a forrasz olvadáspontja alapján választják ki, így biztosítva, hogy kevés maradékot hagyjon maga után. Lehetnek víz, gyanta vagy alkohol bázisúak. A gyártók törekszenek a VOC 5

8 mentes (illékony szerves vegyület) fluxok használatára, mivel környezetkárosító a hatásuk, forrasztás során elpárolognak a szerves anyagok a folyasztószerből és roncsolják az ózonpajzsot [4]. A forrasztott kötést az intermetallikus vegyületréteg biztosítja, ami a forrasztandó felület és a forraszanyag között diffúzió útján létrejövő néhány mikrométer vastagságú réteg (1. ábra). Ez egy rideg, törékeny vegyület és a vastagságából következtetni tudunk a kötés minőségére. Az intermetallikus réteg kialakulása függ a forrasztandó felületek hőmérsékletétől és a forrasztási idő hosszától. A túl magas hőmérsékletű vagy túl a hosszú ideig tartó forrasztás növeli a réteg vastagságát és ez által csökkenni fog a kötés élettartama, szilárdsága, megbízhatósága. Ezek a veszélyek felléphetnek akkor is, ha túl alacsony a forrasztási hőmérséklet vagy kevés a forrasztási idő, és a vegyületréteg nem tud kialakulni. Tehát a diffúziós folyamat teljes végbemenetele érdekében a forrasztandó felületet a forrasz szolidusz hőmérséklete fölé kell hevíteni, hogy az a felületen folyékony állapotban maradjon [5]. 1. ábra Az intermetallikus réteg kialakulása az alapfém és forrasz határán [5] A legtöbb forraszanyag alapja vagy ötvözője az ón. Ez azért kedvelt fém, mert olcsó, kicsi a fajlagos ellenállása és nem túl magas az olvadáspontja sem (232 C), nehezen korrodál és oxidálódik. Hátránya, hogy túl alacsony hőmérsékleten elridegedhet, de ezt a problémát ólom hozzáadásával tudják javítani. Az ón-ólom forraszanyag az összes előnyös tulajdonságot magában hordozza: alacsony az olvadáspontja, áramvezetése és hővezetése is megfelelő, olcsó, fényes felülete miatt optikailag jól vizsgálható. Tehát mind kémiai, fizikai és termikus tulajdonságok szempontjából megbízható kötést biztosít. Elektronikai termékek forrasztása céljából az eutektikus összetételű Sn-37Pb (olvadáspontja 183 C) ötvözet terjedt el leginkább, amely minden tekintetben tökéletesnek bizonyult. Viszont a környezetre és emberi életre gyakorolt mérgező hatása miatt be kellett szüntetni az ólom használatát és le kell cserélni egy, a környezetet kevésbé terhelő elemre [5]. 6

9 2.2. Környezetvédelmi szabályozások 2003-ban az Európai Unió az RoHS (Restriction of Hazardous Substances) irányelvben fogadta el az egyes veszélyes anyagok elektromos és elektronikus berendezésekben való alkalmazásának korlátozását. A direktíva előírja, hogy az EU tagállamai korlátozzák az ólom, higany, kadmium, hat vegyértékű króm, PBB (polibrómozott bifenil) és PBDE (polibrómozott difenil-éter) használatát olyan elektromos és elektronikus berendezésekben, amelyek július 1-től kerülnek forgalomba. Pontosan megadja tömegszázalékban értve, hogy a kadmium maximum 0,01% arányban, a többi elem esetében pedig maximum 0,1% arányban lehetnek jelen. Fontos, hogy ezek a számok nem a termék egész tömegéhez viszonyítva értendőek, hanem az azokat felépítő, veszélyes anyagot tartalmazó alkotórészekre [6]. Az RoHS irányelv azonban több kivételt is tesz, mely lehetővé teszi ezen anyagok további használatát. Ezeknek a felsorolását a 3. táblázat tartalmazza. Néhány esetben nélkülözhetetlen az ólom használata, ilyen például az egészségügy, a szabályozástechnika (légzsáknyitóvezérlők, fékerőelosztó-vezérlők) vagy a katonai elektronika, ahol nem megengedhető a hiba és a legmegbízhatóbb ötvözeteket kell használni. A korlátozás nem vonatkozik a július 1-jét megelőzően piacra került berendezések javításához szükséges alkatrészek gyártására, sem a július 1-je előtt piacra került termékek kapacitásbővítésére [6,7,8]. 3. táblázat RoHS irányelvek által érintett és nem érintett termékek RoHS direktíva által érintett termékek Háztartási kis- és nagygépek IT és távközlési berendezések Gépjármű-elektronika Szórakoztató elektronikai cikkek Világítótestek Elektromos es elektronikus szerszámok (a helyhez kötött, nagyméretű ipari szerszámok kivételével) Játékok, szabadidős és sportfelszerelések Adagoló automaták RoHS direktíva által nem érintett termékek Már meglevő készülékekhez és berendezésekhez gyártott alkatrészek Termékek, melyek egy készülék újbóli forgalomba hozatalához szükségesek Orvosi berendezések (erről még viták folynak) Fegyverek, harci anyagok Az Európán kívüli gyártóknak is be kell tartaniuk a szabályokat, ha európai felhasználásra, EU tagállamba kívánják importálni a termékeiket. Elektronikai téren érdekelt országok versenyképesség céljából követik az európai normákat. Ilyen Kína, Tajvan vagy Japán, ahol szintén bevezették az ólommentes forrasztást és élen járnak a fejlesztésekben. Az ellenkező példa pedig az USA, ahol néhány gyártó nem hajlandó elfogadni az új irányelvet. 7

10 2005. augusztus 13-ával hatályba lépett az EU másik környezetvédelmi előírása, a WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment), melyben az elektromos és elektronikus hulladékok ártalmatlanításáról és újrafelhasználásáról van szó. Ennek értelmében az értékesített termékeket köteles a gyártó hulladékként, költségtérítés nélkül visszavenni, valamint a kezelését megoldani. Az újrahasznosítható termékek esetében az újrahasznosítást kell biztosítani, a nem újrahasznosítható eszközöknek pedig tároló telepekre van szükség [7]. Az előírások bevezetését, esetünkben az ólom és ólomtartalmú forraszanyagok használatának mellőzését, nem gazdasági vagy technológiai, hanem egészség- és környezetvédelmi szempontok vezérelték. A rendeltetésszerűen használt, viszont az RoHS által tiltott anyagokat tartalmazó eszközök nem jelentenek veszélyt. Azonban amikor egy elektronikai készülék hulladékként a talajba kerül, a veszélyes anyagai a talajvízbe, onnan pedig a vízzel együtt a táplálékláncon át a szervezetünkbe kerülhetnek, melyek a nyálkahártyánkon keresztül felszívódhatnak [5]. Az ólom azért veszélyes, mert gátolja a vörösvérsejtek felépülésének folyamatát. A szervezetben felhalmozódott ólom korai stádiumban fejfájást, vérszegénységet, koncentrálóképesség romlást, vesekárosodást okoz [8] Ólommentes forraszanyagok Mivel a környezetvédelmi irányelvek száműzték a legtöbb iparág számára az ólomtartalmú forraszanyagok használatát, komoly kihívás elé állította a mérnököket, fejlesztőket, hogy olyan ólommentes forraszanyagokat hozzanak létre, melynek tulajdonságai minél jobban hasonlítanak az eddig használt forraszokéhoz. Az ólommentes forraszanyagokkal szemben támasztott követelmények [5,9]: emberi szervezetre és környezetre ártalmas anyagot ne tartalmazzon közel eutektikus összetételű legyen határozott olvadáspont (közel legyen az eutektikus Sn-Pb olvadáspontjához) jó elektromos, hővezetési és mechanikai tulajdonságok kötések megbízhatósága, hosszú élettartam jól nedvesítse a megszokott forrasztandó felületeket az elektronikai felhasználásra alkalmas folyasztószerek alkalmazása mellett alkalmas legyen a megszokott forrasztási technológiákhoz (kézi, hullám, reflow) olcsó legyen. 8

11 Az ólommentes forraszanyagokkal készült forrasztott kötések kialakítása drágább és bonyolultabb folyamatnak bizonyult gyengébb megbízhatósági eredmények mellett. Különbség az ólommentes és ólomtartalmú forraszanyagok között, hogy [10]: az olvadáspontjuk magasabban van, a forrasztás magasabb hőmérsékleten történik lassabb a nedvesítésük, hosszabb idő és nehezebb velük forrasztani felületi feszültségük nagyobb, rosszabbul terülnek el viszkozitásuk nagyobb, emiatt megnő a gázzárványok előfordulásának esélye a kötés durva, matt felületű, ami az ólmos forrasztásnál a rossz minőségre utalt, tehát az eddig használt automatikus optikai ellenőrző berendezés vizsgálati módszerei nem alkalmazhatóak egyéb forrasztási hibák alakulhatnak ki magasabb az áruk Jelentős probléma, hogy az ólommentes forraszok olvadáspontja C-al magasabb és ez a különbség számos technológiai problémát okoz. A magasabb forrasztási hőmérséklet nagyobb hatást gyakorol az alkatrészekre, melyek magas hőmérsékletnek kitéve könnyen roncsolódhatnak, púposodhatnak, repedezhetnek. Ólommentes forraszanyagok esetében az ón alapot általában rézzel, ezüsttel, cinkkel, bizmuttal, antimonnal vagy nikkellel ötvözik. Néhány lehetséges ötvözetet és azok előnyös és hátrányos tulajdonságait a 4. táblázat foglalja össze [5,11]. A cink csökkenti az olvadáspontot. Emellett áránál fogva olcsóbbá teszi a forraszt. Aránya általában a forraszban 9-10 % és ónnal illetve bizmuttal ötvözik [11]. A bizmut a forraszthatósághoz járul hozzá, elsősorban úgy, hogy jobb folyási tulajdonságokkal látja el az ónt. Csökkenti az ötvözet olvadáspontját, így energiatakarékosabb megoldást kínál [11]. A réz növeli a forrasztott kötések megbízhatóságát, elsősorban réz alkatrészek forrasztása során. Ha a réztartalom az ötvözetben kisebb, mint 0,1%, akkor nem okoz lényeges változást, viszont ha nagyobb, mint 3%, akkor növeli az olvadáspontot és rontja a nedvesítési tulajdonságait. Ezért jobb, ha a réztartalmat az ón-réz rendszer eutektikus pontjához közel választjuk meg [11,12]. Az ezüst biztosítja a mechanikai szilárdságot, növeli a hősokk okozta fáradással szembeni ellenállást és jobb nedvesítési tulajdonságokkal látja el az ónt. Viszont magas ezüsttartalom esetén nagyméretű Ag 3 Sn vegyületfázisok keletkezhetnek, melyek nagyobb igénybevétel mellett rendkívül lerontják a forraszanyag élettartalmát [11]. 9

12 Számos ón alapú ötvözetet fejlesztettek már ki, és felismerték, hogy az ón-ólom ötvözet tulajdonságait nem lehet egy ötvözővel elérni, tehát előfordulhatnak három, négy vagy akár több alkotós ötvözetek is [12]. 4. táblázat Ólommentes forraszötvözetek előnyei és hátrányai [5,11,12] Olvadáspont Előnyös tulajdonság Nem kívánatos tualjdonság eutektikus pontja Zn erősen oxidációra alacsonyabb, mint az hajlamos, vékony Sn-Ag ötvözeté oxidréteg keletkezik a Sn-9,0Zn* 199 C forraszon Sn-57,0Bi* 138 C Sn-0,7Cu* 227 C Sn-3,5Ag* 221 C Sn-3,8Ag-0,7Cu 217 C * jelölés: eutektikus összetétel jó mechanikai tulajdonság olcsó eutektikus pont hőmérséklete alacsony Bi adagolásával javul a nedvesítési tulajdonsága legolcsóbb ólommentes forraszanyag stabil intermetallikus réteg jön létre jó a nedvesítésük szilárdsága jobb, mint az Sn-Pb ötvözeté hagyományos Sn-Pb ötvözethez legközelebb álló jellemzők nedvesítés rossz lesz, ha a forrasztás levegőn történik Bi rideg fém, nagy hányada miatt a forrasz törékeny lesz és rontja a mechanikai tulajdonságait lassú a nedvesítésük magas olvadáspont ezüsttartalma miatt drága ha az ezüsttartalmat csökkentjük, romlik a nedvesítése és a szilárdsága Az ólommentes forraszokhoz használt folyasztószereknek magasabb aktiválódási hőmérsékletre van szükségük, mint a hagyományos folyasztószereknek. Tartósan el kell viselniük egy előmelegítési hőmérsékletet, ami körülbelül 120 C, és esetenként rövidebb idejű, akár 270 C csúcshőmérsékleti terheléseket. Ezek mellett a folyasztószernek a hosszabb nedvesítési idő miatt tovább kell aktívnak maradniuk, viszont így sem hagyhatnak maguk után szennyezést a hordozón. Ezek alapján az ólommentes forraszok a hagyományos gyantás és a szerves oldószerektől mentes (VOC) fluxokkal működnek a legjobban [1]. 10

13 Hőmérséklet, C Sn-Cu kétalkotós fázisdiagram elemzése A réz-ón rendszernek hét közbenső fázisa van: β, γ, Cu 41 Sn 11 (δ), Cu 10 Sn 3 (ζ), Cu 3 Sn (γ), és Cu 6 Sn 5 /Cu 6 Sn 5 (η/η, magas és alacsony hőmérsékletű változata). Az összes közbenső fázis leírható peritektikus vagy peritektoidos reakciókkal. A rézben gazdag fázisok 350 C felett eutektoidos reakciókkal felbomlanak, ezért csak a Cu 3 Sn és Cu 6 Sn 5 /Cu 6 Sn 5 fázisoknak van jelentőségük a forrasztásban. A 2. ábráról leolvasható, hogy 227 C-on megy végbe az eutektikus átalakulás, ahol az olvadék Cu 6 Sn 5 -re és Sn-re bomlik. A réz-ón eutektikus összetételt alkot 0,7% réztartalomnál. A vegyület 186 C-on átalakul η vegyületfázissá és mivel ez egy allotróp átalakulás, hexagonálisból monoklin rácsszerkezete lesz. Ez az átalakulás térfogat növekedéssel jár, belső feszültségeket eredményez a forraszanyagban, amely repedések képződését segíti elő [13]. Ón (atom%) Ón (tömeg%) 2. ábra Réz-ón ötvözetrendszer kétalkotós egyensúlyi fázisdiagramja [14] Ag-Sn kétalkotós fázisdiagram elemzése Az ezüst-ón rendszer (3. ábra) két közbenső fázissal rendelkezik: ζag és ε-ként jelölt Ag 3 Sn vegyület. Mindkét fázis peritektikus reakció során alakul ki. A diagramon látható, hogy 3,5% ezüsttartalom közelében a legalacsonyabb az ötvözet olvadáspontja (221 C), tehát e köré érdemes tervezni az összetételt gyártáskor. Szintén megállapítható, hogy ezen a helyen eutektikum keletkezik, melynek során az olvadék ónra és az ε-ként jelölt Ag 3 Sn vegyületre bomlik. Szobahőmérsékleten a szövetet β-ón alkotja, mely térben középpontos tetragonális ráccsal rendelkezik [13,15]. 11

14 Ag (tömeg%) Hőmérséklet, C Ón (atom%) Ón (tömeg%) 3. ábra Ag-Sn ötvözetrendszer kétalkotós egyensúlyi fázisdiagramja [14] Sn-Ag-Cu forraszötvözet általános jellemzése Kis ezüst és réztartalom esetén a háromalkotós rendszerben is létrejöhetnek a réz-ón és ezüst-ón fázisdiagramok eutektikumjainál megemlített vegyületek. Az így kialakuló szövetet β-ón, lemezes Ag 3 Sn és kagylós Cu 6 Sn 5 vegyületek alkotják. Az ötvözetrendszer likvidusz felületéről készült háromalkotós fázisdiagram a 4. ábrán látható, az 5. ábrán pedig a jellemzően használt ötvözetek területét emeli ki. Cu (tömeg%) 4. ábra Sn-Ag-Cu háromalkotós egyensúlyi fázisdiagram likvidusz felülete [15] Cu (tömeg%) 5. ábra A háromalkotós fázisdiagram kiemelt területet, melyen belül a forraszötvözetek nagy része található [15] 12

15 A megszilárdulás során először β-ón és Cu 6 Sn 5 fázisok alakulnak ki, majd további hűtés esetén Ag 3 Sn vegyületfázis keletkezik. Az Ag 3 Sn és Cu 6 Sn 5 vegyületfázisok eloszlása alapján az eutektikus szerkezetek három csoportba sorolhatók: Sn-Ag 3 Sn kétfázisú eutektikum, Sn- Cu 6 Sn 5 kétfázisú eutektikum és ternér (Sn-Ag 3 Sn-Cu 6 Sn 5 ) háromfázisú eutektikum. A világosszürke kristályok az eutektikus Ag 3 Sn, a sötétszürke pedig az eutektikus Cu 6 Sn 5 (6. ábra) vegyületfázisok. A ternér eutektikumra a 7. ábrán látható példa [16,17]. Növekvő ezüst és réz tartalom esetén az Ag 3 Sn és Cu 6 Sn 5 vegyületfázisok térfogataránya nő, az ón dendritek mérete pedig csökken. Kutatások kimutatták, hogy 3% feletti ezüsttartalom nagyszámú Ag 3 Sn vegyületfázist eredményez. Ezek a vegyületfázisok, valamint a diszperz mikroszerkezet növeli a forraszanyag szilárdságát, ugyanakkor a nagyméretű Ag 3 Sn és Cu 6 Sn 5 kiválások kedvezőtlenek lehetnek a forraszötvözet számára, mert elősegíthetik a repedésképződést [16,17]. 6. ábra Az Sn-Ag-Cu forraszanyag mikroszerkezete [11] 13

16 a) b) c) d) 7. ábra Sn-1,0Ag-0,5Cu ötvözet szövetszerkezete a) kis nagyításban, b) ideális ternér eutektikus szerkezet, c) Cu 5 Sn 6 -ban gazdag ternér eutektikus szerkezet, d) Ag 3 Sn-ben gazdag ternér eutektikus szerkezet [18] A közel eutektikus összetételű Sn-Ag-Cu ötvözetek a legkedveltebbek, melyek 3,0%-4,0% ezüstöt és 0,5%-1,0% rezet tartalmaznak. A forraszanyag összetételét az alkalmazásának megfelelően választják meg. Néhány iparban használt ötvözet az 5. táblázatban látható [3]. 5. táblázat Alkalmazott SAC ötvözetek és olvadáspontjaik Jelölés Összetétel Olvadáspont ( C) SAC305 Sn-3,0Ag-0,5Cu SAC357 Sn-3,5Ag-0,7Cu SAC387 Sn-3,8Ag-0,7Cu SAC396 Sn-3,9Ag-0,6Cu SAC405 Sn-4,0Ag-0,5Cu Jelenleg az egyéb ötvözők további adagolásával próbálnak lépéseket tenni az ezüsttartalom csökkentése és a forraszanyag kedvező tulajdonságainak javítása érdekében. A szilárdság növelhető például antimonnal, nikkellel, kobalttal, molibdénnel és mangánnal. Ezek az elemek vagy szilárd oldatot alkotnak az ónnal, vagy intermetallikus vegyületet képeznek, ami által növelni tudják az ötvözet szilárdságát. Ugyanakkor, ha ezeknek az elemeknek az aránya túl nagy, lényegesen meg tudják emelni az olvadáspontot. Ezért a legjobb, ha ezeknek az össztartalma maximum 0,3% - 0,5%. Az olvadáspontot bizmuttal, indiummal vagy cinkkel lehet csökkenteni, habár nagyobb mennyiségben ezek is problémákat okoznak [12]. 14

17 Hőmérséklet, C Bizmut hatása Az Sn-Bi fázisdiagamról (8. ábra) megállapítható, hogy a β-ón nagy mennyiségű (21%) bizmutot képes oldani. Ez a réz és ezüst ötvözők hatására viszont lecsökken. 183 C-on, 43% Sn tartalomnál az olvadék bizmut és ón szilárdoldatokra bomlik eutektikusan [13]. Bizmut (atom%) Bizmut (tömeg%) 8. ábra Sn-Bi ötvözetrendszer kétalkotós egyensúlyi fázisdiagramja [19]. Az Sn-Ag-Bi rendszerben a szilárd fázis elég kicsi, háromalkotós homogén területekkel rendelkezik (9.a. ábra). A hármas eutektikum 138 C-nál található, ahol az olvadék x Ag = 0,01 és x Bi = 0,563 tartalomnál két szilárd oldatra bomlik, ónná és bizmuttá, valamint egy Ag 3 Sn vegyületfázissá. A 9.b. ábrán az Sn-Bi-Cu háromalkotós rendszer likvidusz vetületének az ábrázolása látható, amit a kétalkotós fázisdiagramok leírásából kapunk meg. Az ónban gazdag terület eutektikus átalakulása 138,8 C-on történik és az eutektikus pont x Bi = 0,428 és x Cu = 0,0004-nél található [13]. 9. ábra Vegyületrendszerek a hozzájuk tartozó hűlési tartományokkal a) Sn-Ag-Bi, b) Sn-Bi-Cu forraszötvözet rendszerekben [13]. 15

18 Bizmut hozzáadásával csökken a SAC ötvözet olvadáspontja. Például az Sn-3,8Ag-0,7Cu ötvözet szolidusz hőmérséklete (217 C), mely 2.0 % Bi hozzáadásával 213 C lesz, 4.0% Bi esetén pedig 206 C, de a likvidusz hőmérsékletre nincs hatással a Bi-tartalom. Viszont, ha túl sok bizmutot adnak az ötvözethez, felválhat a forraszkötés [17]. A 10. ábrán Sn-3,0Ag-0,5Cu összetételű forraszötvözet mikroszerkezeti képei láthatók növekvő Bi tartalom mellett. A világosszürke, hullámos lemezként kialakult részek az Ag 3 Sn vegyületfázisok, a sötétszürkék Cu 6 Sn 5 vegyületfázisok, a kisebb, klasztereket alkotó fehér részek pedig a Bi kiválások. Ezt a diszpergált részecskék alkotta területet Sn régiók választják el egymástól és ettől hálós megjelenést kölcsönöz a szövetszerkezetnek. A különböző ötvözetek szövetszerkezete között nem figyelhető meg különösebb változás, kivéve a Bi kiválások megjelenésében 2% Bi tartalom fölött [20]. a) b) c) d) e) 10. ábra Sn-3,0Ag-0,5Cu-xBi forraszötvözet mikroszerkezete: Bi (fehér), Ag 3 Sn (világosszürke), Cu 6 Sn 5 (sötétszürke): a) Sn-3.0Ag-0.5Cu, b) Sn-3.0Ag-0.5Cu-1Bi, c) Sn-3.0Ag-0.5Cu-2Bi, d) Sn-3.0Ag-0.5Cu-3Bi, e) Sn-3.0Ag-0.5Cu-4Bi [20]. Alacsony Bi-tartalom (1-3%) javító hatással van a mechanikai tulajdonságokra a SAC ötvözetekben, mint ahogy a ábrán is látható. A tanulmány során 1% és 3% Bi-t adtak az Sn-1,5Ag-0,7Cu (SAC157) összetételű forraszanyaghoz. Bi hozzáadásával magasabb folyáshatár és szakítószilárdság érhető el, mint a magas Ag tartalmú SAC ötvözeteknél. A növekedés több okkal is magyarázható [21]: 16

19 Nyúlás (%) Szakítószilárdság (MPa) Folyáshatár (MPa) Húzófeszültség (MPa) 1. Az ón Bi oldó képességének köszönhetően a Bi hatására finom szemcseméretű és egyenletes eloszlású intermetalikus vegyületek jönnek létre a mátrixban valamint növekszik az eutektikum területe is és ezáltal nő az anyag mechanikai szilárdsága. 2. 3% Bi esetén pedig a megjelenő kiválások is jelentősen emelik a szakítószilárdság és folyáshatár értékeit. A nyúlási tulajdonságokat a Bi tartalom lényegében nem változtatja, szinten tartja vagy javítja, de ez függ a hőmérséklettől is [21]. Nyúlás (%) 11. ábra SAC(157), SAC(157)-1Bi és SAC(157)-3Bi forraszötvözetek szakítódiagramjainak összehasonlítása [21] a) b) 12. ábra SAC(157), SAC(157)-1Bi és SAC(157)-3Bi forraszötvözetek a) szakítószilárdság, b) folyáshatár, c) nyúlás értékei [21] c) 17

20 A 6. táblázat bemutatja, hogy a szakítószilárdság és a folyáshatár SAC157-3Bi ötvözetnél 73,3 MPa és 65,7 MPa, ami 2,6-szer és 1,5-szer nagyobb, mint az eredeti SAC157 forraszanyagé [21]. 6. táblázat Nyúlási tulajdonságai a SAC(157), SAC(157)-1Bi, SAC(157)-3Bi forraszötvözeteknek, T=25 C-on [21] Ötvözet Szakítószilárdság (MPa) Folyáshatár (MPa) Nyúlás (%) SAC(157) 28,5 25,7 27,9 SAC(157)-1Bi 43,7 39,6 22,7 SAC(157)-3Bi 73,7 65,7 24,9 A nyomokban hozzáadott Bi meg tudja változtatni a nedvesítési tulajdonságot is. Rizvi kísérletben hasonlította össze az Sn-2,8Ag-0,5Cu-1,0Bi ötvözet nedvesítési tulajdonságát a Sn-37Pb ötvözetével. A tanulmány bemutatta, hogy az Sn-2,8Ag-0,5Cu-1,0Bi ötvözet nedvesítése kisebb, mint a hagyományos Sn-Pb forraszé, akármelyik flux fajtára vagy forraszfürdő hőmérsékletére nézve. Rizvi a határfelületi reakciókat is tanulmányozta. Bemutatta, hogy az Sn-2,8Ag-0,5Cu ötvözethez 1% Bi hozzáadásával korlátozni tudja a túl vastag intermetallikus réteg kialakulását, nem csak a forrasztási reakció alatt, hanem az utána következő öregedési állapot alatt is. Néhány nappal az öregedés után az Sn-Ag-Cu-Bi forrasz és a réz alap közötti intermetallikus réteg morfológiája átalakult fésűs szerkezetből réteges szerkezetűvé és a növekedési ütemének sebessége csökkent az eredeti SAC forraszéhoz képest [16,17]. 18

21 3. Az elvégezett vizsgálatok és eredmények bemutatása 3.1 Vizsgálatokhoz szükséges minták elkészítése Szakdolgozatom során a legközismertebb ón-ólom forraszötvözetet, valamint a Bi tartalom hatását vizsgáltam ólommentes forraszanyagok tulajdonságaira. Az ötvözeteket a Metalloglobus Fémöntő és Kereskedelmi Kft. biztosította részemre, melyek összetételét a 7. táblázat tartalmazza. 7. táblázat A vizsgálathoz használt ötvözetek összetétele Ötvözet Ón [%] Ólom [%] Ezüst [%] Réz [%] Bizmut [%] Sn-37Pb 63,0 37, Sn-3Cu 97, ,0 - Sn-3,0Ag-0,5Cu (SAC305) 96,5-3,0 0,5 - Sn-2,0Ag-0,7Cu-2,0Bi 95,3-2,0 0,7 2,0 Sn-2,0Ag-0,7Cu-2,5Bi 94,8-2,0 0,7 2,5 Sn-2,0Ag-0,7Cu-3,0Bi 94,3-2,0 0,7 3,0 Sn-2,0Ag-0,7Cu-3,5Bi 93,8-2,0 0,7 3,5 Az alapanyagok megolvasztásához olvasztótégelyeket használtam, külön az ólom tartalmú és külön az ólommentes ötvözeteknek. Az öntés során a 13. ábrán látható öntőformát alkalmaztam, melynek segítségével olyan hengeres test előállítása lehetséges, melyből szabványos méretű szakítópálca munkálható ki. a) b) c) 13. ábra A hengeres test öntőformája a)összeszerelt és b)szétszerelt állapotban, valamint c)az öntött darab és a belőle kimunkált szakítópróba 19

22 Az öntési technológia paraméterei a 8. táblázatban láthatóak. 8. táblázat Olvasztási hőmérsékletek és idők adatai Megnevezés Sn-37Pb Sn-3Cu SAC305 Bi tartalmú ötvözetek Olvasztási hőmérséklet 350 C 380 C 440 C 390 C Öntőforma előmelegítési hőmérséklete 230 C 250 C Olvasztási idő öntés előtt 30 perc Olvasztási idő öntések között Öntőforma előmelegítési ideje első öntés előtt Öntőforma előmelegítési ideje öntések között 10 perc 1 óra 7 perc Minden ötvözetből 5 darab szabványnak (DIN-EN-50125) megfelelő hengeres szakító próbatest készült (14. ábra) valamint kivágásra került az öntvényekből egy darab szövetszerkezet vizsgálatához és keménységméréshez. 14. ábra A szakítópróbatest műszaki rajza A levágott darabok Duracyl típusú hideg műgyantába lettek beágyazva, majd esztergálás után P320, P500, P800, P1200, P2000 típusú csiszolópapírokon lettek megcsiszolva. A polírozás 3 és 1 μm-os posztókon szilikagéllel (20 ml szilika+30 ml forró víz) történt. A 15. ábrán a beágyazott minták láthatóak. A próbadarabok kimunkálásában Bán Róbert, a csiszolatok előkészítésében Márkus Zoltánné laborvezető segített a Fémtani, Képlékenyalakítási és Nanotechnológiai Intézetében. 15. ábra A beágyazott mintadarabok 20

23 3.2 Szövetszerkezet vizsgálat A szövetszerkezet vizsgálatához optikai fénymikroszkópot (Zeiss Axio Vision Imager) és pásztázó elektronmikroszkópot (Zeiss EVO MA10) használtam (16. ábra). a) b) 16. ábra (a) Zeiss Axio Imager optikai fénymikroszkóp és (b) Zeiss EVO MA10 pásztázó elektronmikroszkóp A fénymikroszkóp általában szövetszerkezetek megállapítására alkalmas. Mivel a látható fényt használjuk a képalkotáshoz, a fény hullámhossza korlátozza ezt a fajta vizsgálatot és maximum 1000-szeres nagyítást érhetünk el vele. Világos (BF=Bright Field) és sötét (DF=Dark Field) látótérben is készülhetnek képek. Az előbbi szemcsehatárok, kristályhibák leképezésére alkalmas, az utóbbi pedig zárványok azonosításához, osztályozásához nyújt segítséget [22]. A pásztázó elektronmikroszkóppal megállapítható, hogy a fázisok milyen elemeket tartalmaznak. Látható fény helyett elektronsugárzást alkalmaz képalkotásra, így a fénymikroszkóp felbontóképességének többszörösét teszi lehetővé. Az eszköz energiadiszperz mikroszondája lehetővé teszi az 5 (B) 92 (U) rendszámú elemek vizsgálatát [23]. A szövetszerkezetről készül elektronmikroszkópos felvételek elkészítésében Kovács Árpád segített. A fénymikroszkópos és a SEM felvételek 50-szeres, 500-szoros, 1000-szeres nagyításban, világos és sötét látótérben készültek, illetve a fázisazonosítás 2000-szeres és 2500-szoros nagyításban történt a SEM vizsgálatok során. A mikroszkópos vizsgálatok eredményeit a következő ábrákon mutatom be. 21

24 a). b) c) β-sn α-pb d) Sn Elem Wt% At% Pb 33,57 22,45 Sn 66,43 77,55 Pb 17. ábra Sn-37Pb forraszanyag mikroszerkezetéről készült felvételek 1000-szeres nagyításban a) fénymikroszkóp BF látótér, b) fénymikroszkóp DF látótér, c) SEM felvétel, d) mikroszondás analízis eredményei 22

25 a). b). Sn c). Pb Pb Sn Elem Wt% At% Pb 9,43 5,63 Sn 90,57 94,37 Elem Wt% At% Pb 91,48 86,01 Sn 8,52 13, ábra A Sn-37Pb forraszanyag mikroszerkezetéről készül a) SEM felvétel 2500-szoros nagyításban, b) az 1-es és c) a 2-es pontjában felvett spektrum és összetétel elemzése Az Sn-37Pb forraszanyag mikroszerkezete teljesen eutektikus szerkezetű. Az α-pb a sötét terület, a β-sn pedig a világos. 23

26 a). b) Cu 6 Sn 5 β-sn+cu 6 Sn 5 β-sn c) d) Elem Wt% At% Sn Sn 98,01 96,35 Cu 1,99 3,65 Cu 19. ábra Az Sn-3,0Cu forraszanyag mikroszerkezetéről készült felvételek 1000-szeres nagyításban a) fénymikroszkóp BF látótér, b) fénymikroszkóp DF látótér, c) SEM felvétel, d) mikroszondás analízis eredménye 24

27 a). b) Sn c) Sn Cu Cu Elem Wt% At% Sn 99,40 98,88 Cu 0,60 1,12 Elem Wt% At% Sn 75,37 62,10 Cu 24,63 37,90 d) Sn Cu Elem Wt% At% Sn 58,08 42,58 Cu 41,92 57, ábra Az Sn-3,0Cu forraszanyag mikroszerkezetéről készül a) SEM felvétel 2000-szeres nagyítás, b) az 1-es, c) a 2-es pontjában és d) a 3-as pontjában felvett spektrum és összetétel elemzés Az Sn-3,0Cu forraszanyag mikroszerkezetét ß-Sn szilárd oldat, eutektikum és Cu 6 Sn 5 vegyületfázisok alkotják. 25

28 a) b) ß-Sn +Ag 3 Sn+ Cu 6 Sn 5 β-sn c) d) Sn Elem Wt% At% Sn 96,14 95,13 Ag 2,99 3,25 Cu 0,88 1,62 Ag Cu 21. ábra SAC305 forraszanyag mikroszerkezetéről készült felvételek 1000-szeres nagyításban a) fénymikroszkóp BF látótér, b) fénymikroszkóp DF látótér, c) SEM felvétel, d) mikroszondás analízis eredménye 26

29 a) Sn b) c) Sn Ag Cu Ag Cu Elem Wt% At% Sn 98,88 98,58 Ag 0,87 0,95 Cu 0,25 0,47 Elem Wt% At% Sn 84,06 82,02 Ag 14,78 15,86 Cu 1,16 2, ábra A SAC305 forraszanyag mikroszerkezetéről készül a) SEM felvétel 2500-szoros nagyításban, b) az 1-es és c) a 2 es pontjában felvett spektrum és összetétel elemzés A SAC 305 forraszanyag mikroszerkezetét ß-Sn szilárdoldat és finom ternér (ß-Sn+Ag 3 Sn+Cu 6 Sn 5 ) eutektikum alkotja. 27

30 a) b) c) Bi ß-Sn Cu 6 Sn 5 Ag 3 Sn d) Sn Elem Wt% At% Sn 93,80 93,13 Ag 2,33 2,55 Cu 1,66 3,08 Bi 2,21 1,25 Bi Ag Cu 23. ábra Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-2,0Bi forraszanyag mikroszerkezetéről készült felvételek 1000-szeres nagyításban a) fénymikroszkóp BF látótér, b) fénymikroszkóp DF látótér, c) SEM felvétel, d) mikroszondás analízis eredménye Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-2,0Bi forraszanyag mikroszerkezetét ß-Sn szilárdoldat, különböző eutektikumok, Ag 3 Sn (világosszürke) és Cu 6 Sn 5 (sötétszürke) vegyületfázis és Bi kiválások (fehér) alkotják. 28

31 a) b) Sn c) Sn Bi Ag Cu Bi Ag Cu Elem Wt% At% Sn 94,27 94,91 Ag 1,04 1,16 Cu 0,96 1,8 Bi 3,74 2,14 d) Ag e) Sn Elem Wt% At% Sn 82,35 73,59 Ag 0,61 0,60 Cu 14,77 24,66 Bi 2,27 1,15 Bi Sn Bi Cu Ag Cu Elem Wt% At% Sn 54,06 52,13 Ag 41,67 44,21 Cu 1,05 1,89 Bi 3,23 1,77 Elem Wt% At% Sn 37,46 50,90 Ag 0,00 0,00 Cu 0,47 10,19 Bi 62,08 47, ábra Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-2,0Bi forraszanyag mikroszerkezetéről készült a) SEM felvétel 2000-szeres nagyítás, b) az 1-es, c) a 2-es, d) a 3-as és e) a 4-es pontjában felvett spektrum és összetétel elemzés 29

32 a) b) c) ß-Sn Bi Ag 3 Sn Cu 6 Sn 5 d) Sn Elem Wt% At% Sn 93,80 93,13 Ag 2,33 2,55 Cu 1,66 3,08 Bi 2,21 1,25 Bi Ag Cu 25. ábra Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-2,5Bi forraszanyag mikroszerkezetéről készült felvételek 1000-szeres nagyításban a) fénymikroszkóp BF látótér, b) fénymikroszkóp DF látótér, c) SEM felvétel, d) mikroszondás analízis eredménye Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-2,5Bi forraszanyag mikroszerkezete az előző, 2% Bi tartalmú ötvözetéhez hasonló, viszont itt már több Bi kiválás figyelhető meg. Szépen látszódnak a hullámos lemezként kialakult Ag 3 Sn vegyületek, melyet a szakirodalomban tálalható adatok is alátámasztanak. 30

33 a) Sn b) c) Sn Cu Bi Ag Cu Bi Ag Elem Wt% At% Sn 93,93 94,86 Ag 0,58 0,65 Cu 1,02 1,93 Bi 4,46 2,56 Elem Wt% At% Sn 65,33 50,84 Ag 0,39 0,33 Cu 33,29 48,39 Bi 0,99 0,44 d) Ag e) Bi Bi Sn Cu Sn Cu Elem Wt% At% Sn 28,45 26,49 Ag 69,32 71,03 Cu 1,07 1,86 Bi 1,17 0,62 Elem Wt% At% Sn 16,84 25,96 Ag 0,00 0,00 Cu 0,62 1,79 Bi 82,54 72, ábra Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-2,5Bi forraszanyag mikroszerkezetéről készült a) SEM felvétel 2000-szeres nagyítás, b) az 1-es, c) a 2 es, d) a 3-as és e) a 4-es pontjában felvett spektrum és összetétel elemzés 31

34 a) b) c) Bi ß-Sn Ag 3 Sn Cu 6 Sn 5 d) Sn Elem Wt% At% Sn 91,78 92,08 Ag 2,16 2,38 Cu 1,60 2,99 Bi 4,47 2,55 Bi Ag Cu 27. ábra Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-3,0Bi forraszanyag mikroszerkezetéről készült felvételek 1000-szeres nagyításban a) fénymikroszkóp BF látótér, b) fénymikroszkóp DF látótér, c) SEM felvétel, d) mikroszondás analízis eredménye Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-3,0Bi forraszanyag mikroszerkezetében a Bi kiválások, ahogy a szakirodalomban is található, már klaszterekként jelennek meg és elhelyezkedésük hálós szerkezetű. 32

35 a) Sn b) c) Sn Cu Bi Cu Bi Ag Elem Wt% At% Sn 94,64 95,26 Ag 0,00 0,00 Cu 1,28 2,41 Bi 4,07 2,33 d) Ag e) Elem Wt% At% Sn 64,07 49,71 Ag 0,64 0,55 Cu 33,91 49,14 Bi 1,38 0,61 Bi Sn Sn Bi Cu Cu Elem Wt% At% Sn 29,61 27,62 Ag 68,13 69,92 Cu 1,04 1,81 Bi 1,23 0,65 Elem Wt% At% Sn 27,73 39,61 Ag 0,00 0,00 Cu 0,94 2,51 Bi 71,33 57, ábra Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-3,0Bi forraszanyag mikroszerkezetéről készült a) SEM felvétel 2000-szeres nagyítás, b) az 1-es, c) a 2 es, d) a 3-as és e) a 4-es pontjában felvett spektrum és összetétel elemzés 33

36 a) b) Ag 3 Sn c) ß-Sn Cu 6 Sn 5 Bi d) Sn Elem Wt% At% Sn 91,43 91,99 Ag 1,68 1,86 Cu 1,69 3,17 Bi 5,2 2,97 Bi Ag Cu 29. ábra Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-3,5Bi forraszanyag mikroszerkezetéről készült felvételek 1000-szeres nagyításban a) fénymikroszkóp BF látótér, b) fénymikroszkóp DF látótér, c) SEM felvétel, d) mikroszondás analízis eredménye Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-3,5Bi forraszanyag mikroszerkezetét is ß-Sn szilárdoldat, különböző eutektikumok, Ag 3 Sn és Cu 6 Sn 5 vegyületfázisok alkotják. A Bi kiválások szintén klaszterekként jelennek meg és elhelyezkedésük hálós szerkezetű. 34

37 a) Sn b) c) Sn Bi Cu Bi Ag Cu Elem Wt% At% Sn 95,42 95,97 Ag 0,00 0,00 Cu 1,09 2,04 Bi 3,49 1,99 d) Ag e) Elem Wt% At% Sn 70,74 57,35 Ag 0,33 0,29 Cu 27,55 41,72 Bi 1,38 0,63 Bi Sn Bi Cu Sn Ag Cu Elem Wt% At% Sn 34,08 31,93 Ag 63,14 65,08 Cu 1,24 2,17 Bi 1,54 0,82 Elem Wt% At% Sn 17,13 25,47 Ag 4,01 6,56 Cu 0,72 1,99 Bi 78,14 65, ábra Az Sn-2,0Ag-0,7Cu-3,5Bi forraszanyag mikroszerkezetéről készült a) SEM felvétel 2000-szeres nagyítás, b) az 1-es, c) a 2-es, d) a 3-as és e) a 4-es pontjában felvett spektrum és összetétel elemzés 35

38 3.3. Szakítóvizsgálat A szakítóvizsgálatokat Mikó Tamás laboratóriumvezető végezte el egy Instron 5982 típusú, 100kN terhelőerővel bíró univerzális anyagvizsgáló berendezéssel (31. ábra). 31. ábra Instron 5982 típusú univerzális anyagvizsgáló berendezés [23] A vizsgálatot a szakító próbatestek jeltávozása előzte meg (32. ábra), majd szakítás során a darabok 3 mm/perc állandó sebességű húzó igénybevétellel szakadásig voltak terhelve, miközben a gép mérte a terhelést, feszültséget, videó tengelyirányú alakváltozást és a keresztfej elmozdulását. 32. ábra Bejeltávozott szakító próbatestek A húzóerő hatására a próbatest hossza megnyúlik, keresztmetszete pedig lecsökken. Egy bizonyos terhelési szint alatt rugalmas az alakváltozás, tehát ha megszűnne a terhelés, egy idő után a darab visszanyerné eredeti alakját. E terhelés felett az alakváltozás már maradandó, vagyis a darab képlékenyen változik. A növekvő terhelés először rugalmas, majd képlékeny alakváltozást okoz, végül pedig a darab elszakad. 36

39 R p0,2 (MPa) R p0,2 (MPa) R m (MPa) R m (MPa) A szakítóvizsgálat célja a szakítódiagram elkészítése, amelyről leolvasható a szakítószilárdság (R m ), egyezményes folyáshatár (R p0,2 ) és a nyúlás (ε). Ezen értékeket ötvözetenként átlagoltam és szórást számoltam rá, az eredményeket a 9. táblázat tartalmazza. 9. táblázat Vizsgált forraszötvözetek mechanikai tulajdonságai Ötvözet R m (MPa) R p0,2 (MPa) Nyúlás (%) átlag szórás átlag szórás átlag szórás Sn-37Pb 50,1 1,72 45,35 2,37 3,21 0,60 Sn-3Cu 35,59 2,93 23,76 4,51 7,21 1,35 SAC305 39,02 0,65 31,34 1,46 4,48 1,44 Sn-2,0Ag-0,7Cu-2,0Bi 63,74 0,92 41,93 4,03 9,31 1,07 Sn-2,0Ag-0,7Cu-2,5Bi 61,65 3,70 42,01 1,45 4,45 2,20 Sn-2,0Ag-0,7Cu-3,0Bi 71,47 1,25 48,36 2,12 7,43 2,15 Sn-2,0Ag-0,7Cu-3,5Bi 74,76 2,24 51,71 2,11 5,69 1, a) Sn-37Pb Sn-3Cu SAC ,5 3 3,5 Bi tartalom, % b) 33. ábra a) A vizsgált forraszanyagok szakítószilárdság értékei és b) a Bi tartalom hatása a szakítószilárdságra a) b) Sn-37Pb Sn-3Cu SAC ,5 3 3,5 Bi tartalom, % 34. ábra a) A vizsgált forraszanyagok folyáshatár értékei és b) a Bi tartalom hatása a folyáshatárra 37

40 Nyúlás (%) Nyúlás (%) a) 12 b) Sn-37Pb Sn-3Cu SAC ,5 3 3,5 Bi tartalom, % 35. ábra a) A vizsgált forraszanyagok nyúlás értékei és b) a Bi tartalom hatása a nyúlásra A szakítóvizsgálat eredményei alapján ( ábra) megállapítható, hogy a Bi tartalmú ólommentes forraszötvözetek nagyobb szakítószilárdsággal, folyáshatárral és közel azonos nyúlással rendelkeznek, mint az ólom tartalmú és a manapság legelterjedtebb körben alkalmazott SAC305 ólommentes forraszanyag. Ezen kívül a Bi tartalom növekedésével mind a szakítószilárdág és mind a folyáshatár értékei nőnek. Ezeket az eredményeket a szakirodalomban található adatok is alátámasztják, miszerint a Bi-tartalom javító hatással van a mechanikai tulajdonságokra a SAC ötvözetekben. 2% Bi hozzáadásával 60%-os javulás érhető el a szakítószilárdságban. 38

41 3.4. Keménységmérés A keménységgel az anyag külső hatással szembeni ellenállását jellemezzük. Egy nagy keménységű anyagból készült szerszámot meghatározott erővel és meghatározott ideig nyomunk a mintába és a keletkezet lenyomatot vizsgáljuk. A mérés során Vickers-féle keménységmérést alkalmaztam, melynél a nyomószerszám egy négyzet alapú gyémánt gúla, mely ideális esetben négyzetes lenyomatot hagy a darabon (36. ábra). Leolvasáskor a négyzetes lenyomat két átlóját mérjük (d-vel jelölve) és átlagoljuk. a) b) 36. ábra a) A Vickers keménységmérés elvi ábrája és a keletkező lenyomat [24] és b) a saját mintán keletkezett lenyomat. A keménységmérést Bodnárné Nyári Napsugár segítségével, Instron gyártmányú Wilson Tukon 2100 B Vickers típusú keménységmérő berendezésen végeztük el a szövetszerkezeti vizsgálatoknál is használt beágyazott mintákon. A Vickers eljárásnál számolni kell azzal, hogy a gyémánt szúrószerszám egy keményebb fázist vagy szövetelemet talál el, ezért hogy a mintára jellemző átlagos értéket kapjak, mintánként tíz mérést végeztünk el 0,1 kg terheléssel és 10 másodperces terhelési idővel. A legkisebb és a legnagyobb értékeket elhagytuk és az így megmaradt nyolc értékből számítottunk átlagot és szórást, melynek az eredményeit a 10. táblázat és ábra foglalja össze. 39

42 HV 0,1 HV 0,1 10. táblázat A keménységmérési eredmények átlaga és szórása Mérés Sn-3Cu Sn-37Pb SAC305 2%Bi 2,5%Bi 3%Bi 3,5%Bi 1. 10,7 14,4 12,8 22,8 22,5 24,5 27, ,4 14,5 12,9 23,1 23,5 24,5 27, ,4 15,2 12,9 23,5 23,5 24,5 27, ,5 15,5 13,3 23,8 23,5 24,8 27, ,5 15,5 13,3 23,8 24,1 25,2 27, ,6 15,5 13,5 24,8 24,8 25,9 27, ,8 15,5 13,5 24,8 25,2 26,3 28, ,8 15,7 14,4 28,8 25,9 26,7 28,8 Átlag 11,46 15,22 13,32 24,42 24,12 25,30 27,77 Szórás 0,34 0,50 0,51 1,91 1,11 0,88 0, Sn-37Pb Sn-3Cu SAC305 A vizsgált ötvözetek 37. ábra Forraszötvözetek keménységmérési értékei és szórása ,5 3 3,5 Bi tartalom, % 38. ábra A bizmut tartalom hatása Sn-Ag-Cu forraszanyagok keménység értékeire A mikrokeménység mérés eredményei alapján jól megfigyelhető, hogy az ólommentes forraszanyagok keménységértékei a Bi tartalom növekedésével nőnek. 40

43 4. Összefoglalás Kutatómunkám során a bizmut tartalom növekedése okozta változásokat vizsgáltam alacsony ezüst és réz tartalmú Sn-Ag-Cu ötvözetben. Sn-2,0Ag-0,7Cu összetételű ötvözethez 2%, 2,5%, 3%, 3,5%-ban adtunk bizmutot. Ehhez viszonyítási alapnak a régóta használt és ipari szempontból ideális tulajdonságokkal rendelkező Sn-37%Pb ötvözetet, valamint a napjainkban legelterjedtebb ólommentes Sn-3%Ag-0,5%Cu (SAC 305) forraszanyagot vettem. A vizsgálatokhoz szükséges ötvözeteket a Metalloglobus Fémöntő és Kereskedelmi Kft. biztosította. Az alapanyagokat újraolvasztás után hengeres test formába öntöttem és az így kapott öntött pálcákból ötvözetenként öt darab hengeres alakú szakító próbatest és egy beágyazott minta készült. Munkám során az ötvözet mikroszerkezeti és mechanikai tulajdonságait vizsgáltam, melyhez fénymikroszkópos és pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatokat, valamint szakítóvizsgálatot és keménységmérést végeztem. A mikroszkópos felvételeken bemutattam, hogy milyen mikroszerkezettel rendelkeznek az egyes ötvözetek, milyen fázisok alkotják azokat, valamit a Bi-tartalom növekedése milyen változást okoz a szövetszerkezetben. Megállapítható, hogy minden esetben eutektikum keletkezik és β-ón alkotja a szilárd oldatot. Az eutektikum lehet binér (Sn-Ag 3 Sn, Sn-Cu 6 Sn 5, Sn-Bi) azaz kétfázisú vagy ternér (Sn-Ag 3 Sn-Cu 6 Sn 5 ) háromfázisú. A Bi-tartalom növekedésével a Bi fázisok mennyisége illetve mérete is nő, ez azzal magyarázható, hogy a réz és ezüst ötvözők hatására az ón kevesebb bizmutot tud oldani. A szövetszerkezetben pedig kiválás formájában klaszterekbe rendeződve jelenik meg. Az ólmos és a SAC 305 forraszanyagokhoz képest nagyobb szakítószilárdsággal és folyáshatárral rendelkeznek a bizmut tartalmú ötvözetek, és ezek az értékek növekedést mutatnak a Bi-tartalom emelésével. Viszont a nyúlásra nincs nagy hatással a Bi, közel azonos értékek figyelhetők meg, mint az Sn-37Pb, Sn-3Cu és a SAC 305 forraszanyagoknál. A keménységmérési eredmények alapján megállapítható, hogy a bizmut tartalmú ötvözetek nagyobb keménységértékkel rendelkeznek, mint az Sn-37Pb vagy a SAC 305 és a Bi-tartalom emelkedésével növekednek ezek az értékek. Az elvégzett vizsgálatok eredményei alapján összességében megállapítható, hogy kisebb ezüsttartalom esetén, bizmut hozzáadásával jobb mechanikai tulajdonságok érhetők el, mint a SAC 305 és a Sn-37Pb forraszanyag esetén. 41