Анализ технологического процесса Планарной технологии

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Саратовский государственный технический университет им. Ю.А.Гагарина

Кафедра «Электронное машиностроение и сварка»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Технология материалов и изделий Электронной техники»

Анализ технологического процесса Планарной технологии

  Выполнил: студент группы  ЭМС-31

                                                                Панфёров П.М

                                                  Проверил:  Балакин А.Н

Саратов 2013

Реферат

Пояснительная записка содержит  35 стр.,  8рис., 5табл.,  18ист.

МЕДЬ МВ, ДЕФЕКТ, РЕНТГЕН, ВАКУУМНАЯ ПЛАВКА,  

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ТЕНЕВОЙ МЕТОД, УЛЬТРАЗВУКОВАЯ  

ДЕФЕКТОСКОПИЯ.

Объектом разработки является технологический процесс радиометрической дефектоскопии слитка меди МВ.

Цель работы: изучение технологического процесса радиометрической дефектоскопии слитка меди МВ.

В процессе работы изучены и проанализированы:

• свойства меди МВ;
• сущность вакуумной плавки с применением направленной          

кристаллизации;

• сущность ультразвуковой эхо-импульсной и теневой дефектоскопия;
• сущность радиометрической дефектоскопии;
• методика проведение анализа при помощи радиометрического

метода

ЗАДАНИЕ

Вариант 3.

• Наименование темы – Разработка технологического процесса радиометрической дефектоскопии слитка меди МВ.
• Описание объекта исследования. Цилиндрический слиток меди МВ, полученный методом вакуумной плавки с применением направленной кристаллизации. Размеры слитка - Æ200´500 мм.
• Цели исследования объекта. Обнаружение наличия и места расположения дефектов типа пора размером более 1 мм. При этом необходимо определить тип, форму и размер дефекта.
• Группа методов. Радиационная дефектоскопия, ультразвуковая эхо-импульсная и теневая дефектоскопия.
• Рекомендуемые библиографические источники, приведенные в приложении Л - [Материалы – 4-7; Группа методов – 66-74, 118-121; Заданный метод – 118-121, 66-74, 439].

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Медные трубы МОб и МВ используются для изготовления анодов мощных генераторных ламп, анодных блоков магнетронов, выводов энергии приборов СВЧ и некоторых типов волноводов.

Проволочная медь применяется главным образом для внешней части выводов, соединяемых со штырьками приборов. В некоторых типах электронных ламп для изготовления траверс сеток используется проволочная медь, преимущественно с присадками марганца и хрома, которые повышают жесткость основного металла; в данном случае используется высокая тепло- и электропроводность меди. Медные аноды из меди марки М1 в виде листов и пластин применяются для электролитических ванн меднения.

Радиационные методы дефектоскопии следует применять для обнаружения в объектах контроля дефектов: нарушений сплошности и однородности материала, внутренней конфигурации и взаимного расположения объектов контроля, не доступных для технического осмотра при   их  изготовлении, сборке, ремонте и эксплуатации.

Выбор метода или комплекса методов и средств контроля следует проводить в соответствии с требованиями стандартов, технических условий и рабочих чертежей, утвержденных в установленном порядке, на конкретный объект контроля, а также с учетом требований настоящего стандарта, технических характеристик средств контроля, конструктивных особенностей объектов контроля, технологии их изготовления, размеров выявляемых дефектов и производительности контроля.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.Анализ свойств цилиндрического слитка меди МВ, полученный методом вакуумной плавки с применением направленной кристаллизации.

Таблица 1.

 Физико-механические свойства меди

Медь — металл красноватого цвета, плавящийся при 1083° С. Удельный вес меди 8,95.

Металлическая медь получается преимущественно путем обработки наиболее часто встречающихся сульфидных руд. Предварительно обогащенные и обожженные сульфидные руды подвергаются плавке в отражательных или электрических печах. В результате такой плавки получается медный штейн со средним содержанием меди 30—40% и с примесями главным образом железа и серы.

Штейн обжигается в специальных конверторах при энергичной подаче воздуха. При этом происходит окисление железа и серы. Сера удаляется из штейна в виде сернистого газа, а окисленное железо переходит в шлак. Продуктом такой обработки штейна является «черновая медь», содержащая до 1,5% примесей, в том числе 0,1% и более кислорода, 0,3—0,5% серы, 0,01—0,04% железа. Получающийся водяной (пар отличается незначительной скоростью диффузии, создает внутри металла, в особенности такого плотного как медь, давление порядка нескольких тысяч атмосфер и вызывает образование микроскопических трещин и пузырьков, придающих меди ломкость и нарушающих ее вакуумную плотность.

Таким образом, водородная болезнь не дает возможности производить термическую обработку обычных сортов меди в атмосфере водорода.

Для получения меди, не содержащей кислорода, применяется плавка ее в атмосфере окиси углерода — газа, не растворяющегося в меди, не проникающего в глубь металла « вступающего в реакцию с выделяющимся из меди при нагревании кислородом с образованием углекислоты.

В качестве материала для получения бескислородной меди применяется электролитическая медь, которая расплавляется 'В атмосфере смеси окиси углерода и азота (также нерастворяющегося в меди) в низкочастотной индукционной печи под слоем графита. Для отливки в охлаждаемые формы «расплавленная медь направляется в малые индукционные печи также с защитной атмосферой.

Бескислородная медь выпускается двух сортов:

сорт А с содержанием меди не менее 99,97%;

сорт Б с содержанием меди не менее 99,95%;

Бескислородная медь — вакуумно-плотный металл, выдерживающий после отжига в водороде при 700— 800° С в течение 40 мин не менее шести перегибов в планках с радиусом закругления, равным 2,5-кратной толщине образца.

Вакуумная медь представляет собой еще более чистый металл, получаемый путем плавки меди в вакууме. Плавка осуществляется в индукционных печах с применением графитовых тиглей. Наилучшие результаты дает плавка в высоком вакууме порядка 10~3— 10~5 мм рт. ст. при температуре 1 250—    1 300° С в течение 30 мин. Иногда производится предварительная дегазация меди в твердом состоянии, осуществляемая в той же печи при нагреве металла до 600—800° С в продолжение около 1 ч.

Разливка производится в той же печи в графитовые или чугунные изложницы при температуре 1 200° С. Вакуумная медь представляет собой более плотный и чистый по сравнению с бескислородной металл. При соответствующих условиях получается медь с содержанием 99,99% Си и суммой примесей не свыше 0,01%'. Количество газов, выделяющихся из меди вакуумной плавки, составляет 0,35 мкл/ч, в то время как из бескислородной меди—2,21 мкл/ч (газосодержание определяется при 900° С в течение 15 мин).

Удельное электросопротивление меди вакуумной плавки значительно ниже, чем у бескислородной меди. Кроме того, вакуумная медь содержит значительно меньшее количество летучих примесей свинца, цинка и висмута.

Кроме испытания на перегиб после отжига в водороде, вакуумная и бескислородная медь проверяются на отсутствие водородной болезни металлографическим способом. При 200-кратном увеличении под микроскопом на пластинках из вакуумной и бескислородной меди допускается не свыше трех точек закиси меди на 1 см2 поверхности металла.

Недостаточная формоустойчивость и твердость меди явились основанием для применения в некоторых случаях специальных сортов меди с присадками других элементов.

К таким сортам относятся медь с присадками теллура или селена, хрома и марганца.

Медь с присадкой теллура (0,4—0,6%) или селена (0,2—0,4%) отличается более высокой твердостью и фор-моустойчивостью по сравнению с другими сортами. Она часто применяется для изготовления деталей, подвергающихся истиранию в процессе работы.

Такими же свойствами обладает хромистая медь (0,3—1,4% Сг), однако ее обработка затрудняется образованием на поверхности трудновосстанавливаемых окислов хрома.

Для некоторых случаев применения, требующих повышенной твердости, прочности и формоустойчивоети, изготовляется медь, раскисленная присадкой 0,1— 0,3% Мп.

Таблица 2

 Механические свойства меди

Механические свойства меди. В механическом отношении медь представляет собой ковкий, тягучий металл, отлично поддающийся обработке давлением в горячем и холодном состоянии. При обработке возрастает прочность меди и уменьшается относительное удлинение. Путем отжига в водородной или вакуумной печи первоначальная прочность и пластичность меди могут быть восстановлены при температуре 500—600° С. Повышение температуры влечет за собой резкое снижение прочности меди. Малая величина предела ползучести обуславливает недостаточную формоустойчивость медных деталей при длительных термических нагрузках. Механические свойства меди в большой степени зависят от содержания в ней примесей, которые можно разделить на три группы: 1) примеси 2п, ЗЬ, 5п, А5, Ре, № и др., образующие с медью твердые растворы; 2) примеси РЬ, Ве и др., образующие легкоплавкие эвтектики; 3) примеси серы и кислорода, образующие химические соединения.

Наиболее вредными являются примеси второй группы, которые, располагаясь по границам зерен, при нагревании оплавляются, что приводит к резкому снижению механических свойств при повышенных температурах (>500°С). Присутствие примесей третьей группы также нежелательно (Си2О и СиЗ— хрупкие соединения).

Недостатки меди как конструкционного материала: 1) малая механическая прочность и твердость после термической обработки (отжига при 600° С- и более); 2) большой коэффициент термического расширения; 3) малая стойкость против электронной бомбардировки.

Детали, испытывающие механические нагрузки и работающие при температуре 250—300° С и выше, должны изготавливаться не из меди, а из ее сплавов, обладающих лучшими прочностными свойствами.

Вакуумная плавка с применением направленной кристаллизации

Использование вакуума в металлургических 'процессах может вызвать смещение равновесия в тех металлургических реакциях, которые протекают с участием газообразных веществ и сопровождаются увеличением числа молей газов б продуктах реакции по сравнению с числом молей реагирующих веществ. Всякое понижение давления в реакции, протекающей с увеличением числа газовых молей, с точки зрения термодинамики означает повышение запаса свободной энергии в данной системе. Снижение давления в 108 раз по сравнению с атмосферным равнозначно повышению запаса свободной энергии в системе почти в 10 раз. Поэтому реакции, практически неосуществимые в условиях атмосферного давления, в условиях вакуума при прочих равных 'параметрах протекают достаточно полно.

Процессы экстрагирования газов дистилляции рафинирования металлов и сплавов путем диссоциации и испарения присутствующих в них примесей в условиях вакуума протекают также более полно, что и обеспечивает возможность получения металлов и сплавов высокой степени чистоты. При плавке металлов в вакууме применяют и обычные раскислители: алюминий, ферросилиций, редкоземельные элементы и другие металлы. В этом случае удаление кислорода из металла происходит за счет всплывания образующихся в металле при раскислении трудновосстановимых окисных включений. Всплыванию этих включений способствуют перемешивание ванны, а также выделяющиеся из металла пузырьки газа. Поэтому раскисление металла целесообразно производить одновременно несколькими видами раскислителей, т. е. комплексно. Комплексное раскисление обеспечивает более глубокую очистку металла от кислорода, чем раскисление одним углеродом, или другим видом раскис-лителя.

Высокая степень чистоты и однородность свойств металлов и сплавов как внутри одной плавки, так и от плавки к плавке стали решающими факторами в оценке пригодности металла к использованию практически во всех отраслях промышленности, включая и такие традиционные отрасли, как машиностроение.

Получение металов и .сплавов с минимальным содержанием тазов и вредных примесей, отрицательно влияющих на их свойства, всегда было одной из наиболее сложных задач. Несмотря на то, что за последние 20— 30 лет у нас .и за рубежом было выполнено огромное количество научно-исследовательских работ по дегаза-' ции металла в процессе плавки, нельзя сегодня признать, что задача получения стали и сплавов с минимальным содержанием водорода (<2 см3/100 г) и кислорода решена. Ежегодно теряются сотни тысяч тонн стали и сплавов вследствие брака, обусловленного повышенным содержанием в них водорода и кислорода (пористость, неметаллические включения, флокены, волосяные трещины и -пр.). Повышенное содержание водорода в стали вызывает также необходимость подвергать весь прокат либо замедленному охлаждению, либо изотермическому отжигу, для чего необходимы специальные отделения с нагревательными колодцами или термическими печами, эксплуатация которых требует больших материальных затрат.

При окислительной плавке нельзя получить металлы и сплавы свободными также от продуктов раскисления кремнием и алюминием, вредных и летучих в вакууме примесей — цинка, свинца, кадмия, висмута и др.

Наличие в металлах и сплавах газовых и металлических примесей чрезвычайно, затрудняет их получение с однородными и стабильными во времени свойствами. Применение таких материалов в электровакуумных приборах приводит к интенсивному газоотделению, образованию налетов на деталях внутренней арматуры и как следствие к ухудшению вакуума в изделиях и отравлению активного вещества катодов. В результате резко сокращается срок службы приборов и ухудшаются их электрические параметры.

Можно привести десятки других примеров отрицательного влияния содержащихся в металлах и сплавах примесей на работу приборов, отдельных деталей и узлов машин и даже целых агрегатов.

Одним из наиболее прогрессивных и экономически выгодных процессов получения металлов и сплавов высокой степени чистоты является переплав их в вакууме. Наличие в рабочем пространстве печи достаточно глубокого вакуума (<1 • 10-3 мм рт. ст.) позволяет сравнительно легко удалять из металлов летучие примеси и значительно снизить содержание в них газов. Отсутствие окислительной среды над жидким металлом позволяет в свою очередь легировать свободные от примесей и газов металлы соответствующими элементами в строго заданных (почти расчетных) количествах, что является наиважнейшим условием их получения с однородными свойствами.

2. Радиационная дефектоскопия.

В радиационных дефектоскопах осуществляется облучение объектов рентгеновскими, α-, β- и γ-лучами, а также нейтронами. Источники излучений — рентгеновские аппараты, радиоактивные изотопы, линейные ускорители, бетатроны, микротроны. Радиационное изображение дефекта преобразуют в радиографический снимок (радиография), электрический сигнал (радиометрия) или световое изображение на выходном экране радиационно-оптического преобразователя или прибора (радиационная интроскопия, радиоскопия).

Первый радиационный дефектоскоп был внедрён в 1933 году на Балтийском судостроительном заводе изобретателем Л. В. Мысовским и использовался для выявления дефектов литья в толстых металлических плитах к печам «Мигге-Перроя»

2.1 Радиографический метод.

Выявление внутренних дефектов при просвечивании основано на способности ионизирующего излучения неодинаково проникать через различные материалы и поглощаться в них в зависимости от толщины, рода (плотности) материалов и энергии излучения. Для выявления дефектов в изделиях с одной стороны устанавливают источник излучения, с другой -детектор, регистрирующий информацию о внутреннем строении контролируемого объекта (рис. 2.1). Излучение от источника 1 проходит через изделие 2, имеющее внутренние дефекты 3, 4 с разной плотностью. В дефектном и бездефектном местах оно будет поглощаться по разному и выходить на детектор с разной интенсивностью 5. Интенсивность излучения при прохождении через дефект 3, заполненный воздухом или газом, ослабляется меньше, чем в сплошном металле, а сильнее - над дефектом 4, заполненным более плотным материалом (например, вольфрамом), чем основной.

Рис. 2.1 Схема просвечивания изделия рентгеновским или у-излучением: 1- источник. 2- контролируемый объект, 3- раковина, 4 - шлаковое включение, 5-эпюра интенсивности излучения за объектом.

2.2 Радиоскопический метод.

Радиоскопический метод основан на получении дефектоскопической информации о контролируемом объекте с помощью флуоресцирующих экранов, электронно-оптических преобразователей, оптических усилителей и телевизионных систем при визуальном анализе светотеневой картины, получаемой на выходном экране в результате прохождения ионизирующего излучения через объект исследования. Сохраняя такие достоинства радиографического метода, как возможность определения характера и формы выявленного дефекта, методы радиоскопии позволяют исследовать контролируемый объект непосредственно в момент его просвечивания. Поэтому сокращается до минимума характерный для радиографии разрыв во времени между началом контроля и моментом получении заключения о качестве контролируемого объекта. Благодаря малой инерционности радиоскопических систем объект можно контролировать под различными углами к направлению просвечивания, при этом повышается вероятность обнаружения дефектов и обеспечивается возможность контроля деталей и узлов как в эксплуатационных условиях, так и в условиях поточного производства (рис. 2.2).

Риг. 2.2. Общая схема системы рентгено-визуального контроля:

1 — дефект; 2— преобразователь  излучения; 3 — 
изображение дефекта на преобразователе; 4 — радиационное изображение; 5 — объект;   6 — рентгеновский луч

2.3 Ультразвуковая эхо-импульсная и теневая дефектоскопия

Ультразвуковые волны, используемые в дефектоскопии, представляют собой упругие колебания, возбуждаемые в материале объекта, при этом частицы объекта не перемещаются вдоль направления движения волны; каждая частица, совершив колебательное движение относительно своей первоначальной ориентации, снова занимает это исходное положение, а колебательное движение совершает следующая за ней частица и т. д. На возбуждение колебательных движений частиц затрачивается определенная энергия ультразвуковых волн, которая с удалением от места ввода ультразвуковых колебаний постепенно теряется и в конце концов в зависимости от физико-химической природы материала объекта затухает.

В металлах могут возбуждаться волны пяти типов (табл. 3): поперечные, продольные, изгиба, растяжения и поверхностные. Возникновение волн того или иного типа обусловлено упругими свойствами объекта и его формой. Когда частицы совершают колебательные движения, совпадающие с направлением движения волны по объекту, это продольные волны; если направление колебаний частиц 'перпендикулярное, то это волны поперечные (иначе сдвиговые). В объектах (например, листовом материале), толщина которых соизмерима с длиной волны или меньше ее, могут возникать волны изгиба. Волны растяжения возникают в объектах типа стержня, при этом частицы колеблются вдоль направления распространения волн и перпендикулярно ему. Волны, открытые Рэлеем и названные поверхностными, обусловлены колебанием частиц со значительной амплитудой на поверхности тела и постепенным ее уменьшением по экспоненциальному закону при удалении частиц от поверхности. Окончательное затухание колебаний частиц происходит на расстоянии от поверхности, равном длине волны. При неразрушающем контроле используют несколько методов ультразвукового прозвучивания контролируемых объектов и получения необходимой информации: теневой, резонансный и эхо-методы (рис. 3.1).

Таблица 3

Рис.  2.3  Схемы  ультразвукового  контроля:

а — эхо-метод;    б — теневой    метод;    в -- резонансный    метод;    I — блок генератора;   2 — блок   усилителя;   3 — блок индикатора;   4—блок регистрации   резонансов;   5 — демпфер:   6—излучатель;    7 — демпфер   приемной   головки;   б1 — контролируемый   объект;   9 — дефект

Теневой метод заключается в том, что с одной стороны объекта с помощью излучателя вводится пучок ультразвуковых колебаний, а с другой стороны, с помощью щупа, установленного строго напротив излучателя, регистрируется инстенсив-ность этого пучка, «прошедшего через толщу объекта. Если, например, на пути пучка ультразвуковых колебаний окажется расслоение, ино'родное включение, раковина или другое нарушение сплошности, то часть ультразвуковой энергии от него отразится и интенсивность пучка, падающего на приемный щуп, резко уменьшится, т. е. на приемный щуп упадет тень от дефекта (см. рис. 2.3). Этот метод применим при обязательном двустороннем доступе к объекту контроля. Теневой метод прозвучивания можно использовать в случае контроля металлов, пластмасс, бетона, резин для выявления грубых нарушений склейки и других внутренних дефектов.

Резонансный метод ультразвукового контроля основан на возбуждении в объекте так называемых стоячих волн, возникающих при условии интерференции вводимых в объект упругих колебаний и колебаний, отраженных от раздела объект — воздух (или другая среда). Такая ситуация возможна при условии получения резонанса вследствие совпадения собственной частоты объекта и частоты возбуждаемых в нем упругих колебаний. При этом благодаря резкому снижению входного сопротивления нагрузки и соответственно изменению характеристик блока генератора можно по импульсам на экране осциллоскопа регистрировать момент достижения резонанса.

Основная область применения резонансных ультразвуковых приборов — толщинометрия (измерение толщины материала объекта с односторонним доступом). При этом должно соблюдаться соотношение

d =n λ/2=nC/2f ,                                  

где d — толщина материала объекта;

п — число, определяющее порядок    гармоники     (при  резонансе п= 1);

λ — длина волны;

f — частота ультразвуковых колебаний;

С — скорость распространения  волн в  материале объекта. Резонансные дефектоскопы используют также для выявления несплошностей в биметаллах, расслоения  в  многослойных конструкциях и зон межкристаллитной коррозии.

Наиболее широко применяют в дефектоскопии эхо-метод. Дефектоскопы этого типа позволяют осуществлять контроль при одностороннем доступе к исследуемому объекту. Метод основан на том, что в объект вводятся пачки колебаний (продолжительностью 0,5—8 мкм/сек), иначе импульсы (поэтому метод носит название импульсного эхо-метода), с перерывами 1 — 5 мкм/сек. Если упругие колебания, возникающие в объекте, встречают на своем пути препятствие в виде дефекта (раковины, расслоение, структурная неоднородность и т. д.), то часть их отражается и, как эхо, попадает обратно на излучающую головку. Остальная часть колебаний продолжает свой путь в массе объекта, достигает противоположной его стороны, отражается от раздела объект — воздух (или другая среда) и тоже в виде эха попадает на излучающую головку. Понятно, что от дефекта колебания возвращаются раньше, чем от «дна» объекта. Поэтому сначала на экране дефектоскопа 'появляется импульс от дефекта, а затем «донный» импульс. На экране они располагаются один за другим на расстоянии, соответствующем времени их возвращения. При прохождении в материале упругие колебания теряют значительную часть энергии, рассеиваясь на границах кристаллов (зерен), и чем более крупнозернистый материал, тем больше ослабляется эхо-сигнал от дефекта и «дна» объекта.