RU2061776C1

RU2061776C1 - Method for preparation of metallic pastes containing gallium

Info

Publication number: RU2061776C1
Application number: RU93053243A
Authority: RU
Inventors: Алексей Борисович Шубин; Леонид Федорович Ямщиков
Original assignee: Алексей Борисович Шубин; Леонид Федорович Ямщиков
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1993-11-29
Publication date: 1996-06-10

Abstract

FIELD: metallurgy, particular, production of multicomponent metallic compositions containing gallium. SUBSTANCE: method for preparation of metallic pastes containing gallium includes preparation of mixture of paste components in powder form, melting of low-melting components and formation of paste by mechanical mixing. Novelty in the method consists in that melting of gallium powder is attained not by mechanical effect, but by heating the mixture components. EFFECT: higher efficiency. 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии получения многокомпонентных металлических композиций, содержащих галлий, и является усовершенствованием известного способа, описанного в авт. св. N 1696549 [1]
Известный способ [1] выбранный в качестве прототипа, включает дозирование компонентов в полуфабрикат пасты в порошкообразном состоянии. Расплавление легкоплавких компонентов и образование пасты производится путем интенсивного механического воздействия на смесь. При этом механическое воздействие должно обеспечить повышение температуры материала выше 29,8^oС (температура плавления галлия).The invention relates to metallurgy, in particular to a technology for producing multicomponent metal compositions containing gallium, and is an improvement of the known method described in ed. St. N 1696549 [1]
The known method [1] selected as a prototype, includes dosing the components in the semi-finished paste in a powdered state. The fusion of low-melting components and the formation of paste is carried out by intensive mechanical action on the mixture. In this case, the mechanical effect should provide an increase in the temperature of the material above 29.8 ^o C (melting point of gallium).

Практически, в процессе механического воздействия полуфабрикат проходит две стадии смешивания:
1. Повышение температуры и расплавление галлия и других легкоплавких компонентов.In practice, in the process of mechanical action, the semi-finished product goes through two stages of mixing:
1. The increase in temperature and the melting of gallium and other low-melting components.

2. Смешивание жидкого галлиевого сплава с порошком-наполнителем. 2. Mixing liquid gallium alloy with filler powder.

При этом время, идущее на стадию 2, практически не зависит от температуры материала и окружающего воздуха. Однако время, идущее на стадию 1, сильно зависит от условий хранения полуфабриката (температуры), и тем больше, чем ниже температура материала перед механическим воздействием. При температурах ниже комнатной время смешивания (за счет стадии 1) становится таким большим, что существенно снижает удобство в работе. In this case, the time going to stage 2 is practically independent of the temperature of the material and the surrounding air. However, the time that goes to stage 1 is highly dependent on the storage conditions of the semi-finished product (temperature), and the more, the lower the temperature of the material before mechanical action. At temperatures below room temperature, the mixing time (due to stage 1) becomes so large that it significantly reduces the usability.

То обстоятельство, что наличие стадии 1 требует дополнительного времени механического воздействия, причем это время нестабильно и зависит от температуры полуфабриката, является недостатком способа-прототипа. The fact that the presence of stage 1 requires additional time of mechanical action, and this time is unstable and depends on the temperature of the semi-finished product, is a disadvantage of the prototype method.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка и повышение качества пасты вне зависимости от климатических условий. The aim of the invention is to eliminate this drawback and improve the quality of the paste, regardless of climatic conditions.

Поставленная цель достигается тем, что порошкообразная смесь компонентов перед механическим воздействием подвергается кратковременному нагреву до температуры выше 29,8^oС для расплавления одного из легкоплавких компонентов галлия.This goal is achieved in that the powdery mixture of components before mechanical action is subjected to short-term heating to a temperature above 29.8 ^o With to melt one of the low-melting components of gallium.

Заявляемый способ отличается от прототипа тем, что в данном случае порошок галлия расплавляется до механического воздействия, а механическое воздействие производится с целью образования эвтектического сплава остальных легкоплавких компонентов с галлием и смешивания его с порошком-наполнителем. Таким образом, данный способ соответствует критерию "новизна". The inventive method differs from the prototype in that in this case the gallium powder is melted to a mechanical effect, and the mechanical effect is carried out in order to form an eutectic alloy of the remaining low-melting components with gallium and mix it with a filler powder. Thus, this method meets the criterion of "novelty."

Известен способ [2] при котором механическое воздействие производится на материал с жидкими легкоплавкими компонентами. Однако в этом способе в расплавленном состоянии до механического воздействия находится не только галлий, но и другие легкоплавкие компоненты (например, Sn). При этом указанные компоненты сохраняются в отдельной таре от порошка-наполнителя в виде готового эвтектического сплава и дозируются в виде компактной капли непосредственно перед смешиванием пасты. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "существенные отличия". A known method [2] in which mechanical action is performed on a material with liquid fusible components. However, in this method, not only gallium, but also other low-melting components (for example, Sn) are in the molten state before mechanical action. Moreover, these components are stored in a separate container from the filler powder in the form of a finished eutectic alloy and are dosed in the form of a compact drop immediately before mixing the paste. Thus, the claimed method meets the criterion of "significant differences".

Для успешного применения заявляемого способа были проведены специальные исследования, которые показали, что:
1. Если произвести расплавление частиц порошка галлия, распределенного в массе порошков других компонентов, то слияния этих частиц между собой, а также взаимодействия их с другими частицами порошка не происходит. Это обусловлено высоким поверхностным натяжением частиц галлия, а также наличием на поверхности порошков адсорбированных газов. Относительно слабые механические воздействия (включая любую переноску или перевозку) также не приводят к взаимодействию в массе полуфабриката при расплавленном галлии.For the successful application of the proposed method, special studies were carried out, which showed that:
1. If the particles of gallium powder are distributed, distributed in the mass of powders of other components, then the particles merge with each other, as well as interact with other powder particles. This is due to the high surface tension of gallium particles, as well as the presence of adsorbed gases on the surface of the powders. Relatively weak mechanical stresses (including any transportation or transportation) also do not lead to interaction in the mass of the semi-finished product with molten gallium.

2. Был выявлен неочевидный эффект сильного переохлаждения расплавленных частиц галлия. А именно: если произвести кратковременный нагрев полуфабриката выше 29,8^oС и расплавить порошок галлия, то и после снижения температуры материала до комнатной частицы галлия длительное время (до нескольких суток) остаются жидкими. Это позволяет производить механическое воздействие при заявляемом способе не сразу после нагрева, а через некоторое время, не опасаясь затвердевания галлия.2. An unobvious effect of strong hypothermia of molten gallium particles was revealed. Namely: if you produce short-term heating of the semi-finished product above 29.8 ^o C and melt the gallium powder, then after lowering the temperature of the material to room particles of gallium for a long time (up to several days) remain liquid. This allows you to produce mechanical impact with the claimed method not immediately after heating, but after a while, without fear of hardening of gallium.

3. Еще одним неожиданным эффектом заявляемого способа оказалось улучшение механических свойств полученных образцов паст по сравнению с прототипом. Было выявлено существенное (приблизительно на 8%) возрастание прочности на сжатие затвердевших паст для заявляемого способа. 3. Another unexpected effect of the proposed method was to improve the mechanical properties of the obtained samples of pastes in comparison with the prototype. A significant (approximately 8%) increase in the compressive strength of hardened pastes for the proposed method was revealed.

Причина данного явления состоит, по-видимому, в следующем. Если процесс смешивания (интенсивного механического воздействия) производится по способу-прототипу, то плавление частиц галлия является результатом механических соударений их с другими частицами. При этом плавление частицы галлия происходит преимущественно в момент ее столкновения с частицами другого легкоплавкого компонента (например, Sn). Это обусловлено их контактно-реактивным плавлением с образованием эвтектического сплава. Таким образом, в этом случае эвтектический сплав образуется в момент расплавления и уже после этого взаимодействует с наполнителем. The reason for this phenomenon is, apparently, the following. If the mixing process (intense mechanical stress) is carried out according to the prototype method, then the melting of gallium particles is the result of their mechanical collisions with other particles. In this case, the melting of a gallium particle occurs mainly at the moment of its collision with particles of another low-melting component (for example, Sn). This is due to their contact reactive melting with the formation of a eutectic alloy. Thus, in this case, the eutectic alloy is formed at the time of melting and after this interacts with the filler.

Если же процесс смешивания происходит по заявляемому способу, то частицы галлия сразу являются жидкими и взаимодействуют одновременно со всеми другими порошками (в том числе и с порошком-наполнителем) еще до образования эвтектического сплава. Поэтому жидкая фаза, смачивающая порошок-наполнитель, первоначально практически не содержит олова и обогащается им уже в процессе диффузии после смешивания. If the mixing process occurs according to the claimed method, then the gallium particles are immediately liquid and interact simultaneously with all other powders (including filler powder) even before the formation of the eutectic alloy. Therefore, the liquid phase wetting the filler powder initially practically does not contain tin and is enriched with it already in the process of diffusion after mixing.

Таким образом, налицо различие в механизме образования пасты для прототипа и заявляемого способа. Однако то, что такое различие приводит именно к росту прочности затвердевшей пасты, является неочевидным и весьма интересным эффектом. Thus, there is a difference in the mechanism of the formation of paste for the prototype and the proposed method. However, the fact that such a difference leads precisely to an increase in the strength of hardened paste is an unobvious and very interesting effect.

Практически предлагаемый способ реализован следующим образом. Изготовили порошкообразную смесь компонентов (полуфабрикат), содержащую порошок-наполнитель Cu₃Sn (фракция: -40 мк), а также порошки олова (-40 мк) и галлия (40 200 мк). Весовые соотношения компонентов были следующими, мас. Ca 42,3; Sn 5,2; Cu₃Sn 52,5. Взвешивание компонентов производили с точностью до 1 мг. Полученную смесь расфасовали в стандартные медицинские двухсекционные полиэтиленовые капсулы порциями по 1,5 г при комнатной температуре (всего 20 капсул).Practically the proposed method is implemented as follows. A powdered mixture of the components was prepared (semi-finished product) containing the filler powder Cu ₃ Sn (fraction: -40 microns), as well as tin powders (-40 microns) and gallium (40,200 microns). The weight ratios of the components were as follows, wt. Ca 42.3; Sn 5.2; Cu ₃ Sn 52.5. The components were weighed to the nearest 1 mg. The resulting mixture was packaged in standard medical two-section polyethylene capsules in portions of 1.5 g at room temperature (20 capsules in total).

Далее выборку из 10 капсул оставили при комнатной температуре, а остальные 10 капсул нагрели в течение 10 минут в сухожаровом шкафу с установленной температурой 40^oС (заметим, что нагрев можно производить любым другим подходящим источником тепла, например настольной лампой накаливания, с расстояния 10 15 см).Next, a sample of 10 capsules was left at room temperature, and the remaining 10 capsules were heated for 10 minutes in a dry heat oven with a set temperature of 40 ^o С (note that heating can be done with any other suitable heat source, for example a table lamp, from a distance of 10 15 cm).

В результате нагрева материала в капсулах произошло расплавление частиц порошка галлия. Далее произвели смешивание пасты на стандартном стоматологическом амальгамосмесителе (частота механических колебаний 50 Гц, амплитуда 3 4 см). Время смешивания для способа-прототипа составило 45±5 сек (при 22^oС); для заявляемого способа 20±5 сек.As a result of heating the material in capsules, the particles of gallium powder melted. Next, the paste was mixed on a standard dental amalgam mixer (frequency of mechanical vibrations 50 Hz, amplitude 3 4 cm). The mixing time for the prototype method was 45 ± 5 seconds (at 22 ^o C); for the proposed method 20 ± 5 sec.

Полученная из каждой капсулы паста закладывалась в отдельную стальную форму; затвердевшие цилиндрики образцы (высота 8 мм, диаметр 4 мм) через 24 часа после смешивания подвергались механическим испытаниям на сжатие. Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице. The paste obtained from each capsule was laid in a separate steel mold; hardened cylinders samples (height 8 mm, diameter 4 mm) 24 hours after mixing were subjected to mechanical compression tests. The results of comparative tests are shown in the table.

Таким образом, качество пасты, обусловливающее механические свойства образцов, для предлагаемого способа существенно лучше. Статистическая обработка дает следующие значения средней прочности при сжатии (уровень значимости 0,05): известный способ σ $\binom{C}{B}$ = 4909±124 и предлагаемый σ $\binom{C}{B}$ = 5284±138 (кГс/см²). ТТТ1Thus, the quality of the paste, which determines the mechanical properties of the samples, is significantly better for the proposed method. Statistical processing gives the following values of average compressive strength (significance level 0.05): the known method σ $\binom{C}{B}$ = 4909 ± 124 and the proposed σ $\binom{C}{B}$ = 5284 ± 138 (kgf / cm ² ). TTT1

Claims

A method of manufacturing metal pastes containing gallium, comprising mixing powder components, the formation of a paste by mechanical action on the mixture, characterized in that before the mechanical action, the mixture of powder components is heated until the gallium powder is melted.