Файл: Ейльман, Л. С. Проводниковые материалы в электротехнике.pdf

тщательно обезжиривался венской известью с последую­ щей промывкой в холодной проточной, а затем в горячей, дважды перегнанной воде. В ячейку наливался рабочий раствор, помещались электроды и в течение 30 мин по-

новой кислоты при потен­ циале ф=300 мв.

давался очищенный азот. После этого устанавливался потенциал изучаемого электрода и через 1—2 мин прово­ дилось измерение емкости. Частота переменного напря­ жения была выбрана равной 9900 гц. Разброс экспери­ ментальных данных составлял 2—4%. Результаты иссле­ дований показаны на рис. 35—39.

Как видно из рис. 35, емкость слоя загрязненной про­ волоки резко уменьшается с частотой. Для качественного определения микрозагрязнений поверхности высокомоле­ кулярными органическими веществами необходимо изме­ рить емкость очищенной исследуемой проволоки в 0,1 н. растворе КОН, а затем в этом же растворе из­ мерить емкость неочищенной проволоки. Если емкость исследуемой проволоки незначительно (до 5%) отлича­ ется от емкости чистой проволоки, то поверхность не за­ грязнена органическими веществами. В том случае, если емкость отличается значительно (более 10%), то иссле­ дуемая проволока содержит адсорбированные на поверх-

132

ности высокомолекулярные органические вещества. Этот метод с успехом может быть использован для оценки адгезионных способностей смазок, применяемых при хо­ лодной обработке металлов давлением.

Обработка и очистка поверхности производится меха­ ническим, химическим и электрохимическим способами.

СМг/МКф

1/С

К механическому способу следует отнести наиболее рас­ пространенную операцию скальпирования. Эта операция производится после горячей обработки металла — ручье-

Рис. 39. Калибровочный график для определения степени заполнения органи­ ческим веществом измеряе­ мого образца.

вой прокатки. Катанку, получаемую после прокатки, под­ вергают скальпированию, т. е. строжке с помощью осо­ бой волоки—ножа. Верхний слой катанки имеет много дефектов, которые обусловливают в готовой проволоке заусеницы, закаты, расслоения, трещины. Если металл проводника был выплавлен в вакууме и прошел опера­ цию скальпирования, то подобных дефектов в нем гораз­

133

до меньше. Стальная проволока или проволока из туго­ плавких металлов может подвергаться 'при необходимо­ сти механической полировке.

При обезжиривании поверхности весьма эффективна химическая обработка. Жировые вещества по химиче­ ской природе делят на две основные группы: омыляемые и неомыляемые. К первой группе относят все раститель­ ные и животные жиры, которые представляют собой сложные эфиры глицерина и смеси высокомолекулярных органических кислот, чаще стеариновой, олеиновой, пальмитиновой и т. п. Эти жиры называются омыляемы­ ми потому, что под действием щелочи они разлагаются, образуя мыла, представляющие собой растворимые вво­ де соли жирных кислот и глицерин.

Вторую группу жиров представляют минеральные' масла, состоящие из смеси углеводородов различного со­ става и различной консистенции — от очень легких жид­ костей до твердых тел (газолин, вазелин, парафин, раз­ личные смазочные масла). Под действием щелочи жиры этой группы не разлагаются, и поэтому называются не­ омыляемыми. Жировые вещества обеих трупп практиче­ ски нерастворимы в воде и удаляются с поверхности ме­ таллов путем химической или электрохимической обра­ ботки в некоторых растворах.

При химическом обезжиривании применяют растворы щелочей, щелочных солей и ряд специальных органиче­ ских растворителей. Обезжиривание в щелочных раство­ рах сводится к омылению животных и растительных жи­ ров и эмульгированию жиров различного происхождения. Минеральные масла или неомыляемые жиры химически не разлагаются щелочами, но они могут образовывать

с ними эмульсии и благодаря этому также отделяться от поверхности металла. Образование эмульсий обуслов­ ливается изменением поверхностного натяжения на гра­ нице раздела двух жидкостей.

Однако не всякий раствор щелочи может оказаться

твердого тела могут удерживать капельки масла на по­ верхности металла. Поэтому необходимо добавлять в раствор поверхностно активные вещества — эмульгато­ ры, обеспечивать перемещение слоев жидкости вокруг металла (вводить перемешивание, ультразвуковое поле, нагрев жидкости до кипения).

134

Эмульгаторы проникают на границу раздела масла и металла и понижают поверхностное натяжение между ними. Кроме того, образуя на поверхности каждой части­ цы масляной эмульсии прочный адсорбционный слой,

служить декстрин, желатин, столярный клей и т. п. Повышенная температура щелочных растворов уве­

личивает гидролиз щелочных солей, ускоряет реакцию омыления, способствует циркуляции раствора. Обезжи­ ривание в органических растворителях сводится к обыч­ ному процессу растворения омыляемых или неомыляе­ мых жиров. В качестве растворителей применяют керо­ син, бензин, толуол, трихлорэтилен, четыреххлористый углерод и т. п. Существенными недостатками органиче­ ских растворителей, особенно хлорированных, является ядовитость, относительно высокая стоимость и воспламе­ няемость.

Часто более эффективным оказывается электрохими­ ческое обезжиривание, осуществляемое в щелочном рас­ творе с добавлением эмульгатора. Обрабатываемое изде­ лие может быть как анодом, так и катодом или последова­ тельно анодом и катодом. Электрохимическое обезжири­ вание сводится к эмульгированию жиров и масел выде­ ляющимися пузырьками водорода на катоде и кислоро­ да на аноде. Плотность тока должна быть такой, чтобы количество выделяющихся пузырьков газа было доста­ точным для механического отделения капелек масла. Обычно при электрохимическом обезжиривании плотность тока колеблется в пределах 3— 10 а/дм2 и устанавлива­ ется в зависимости от скорости прохождения проволоки через ванну и от требуемого качества очистки.

Удаление окислов с поверхности проводника достига­ ется химическим или электрохимическим травлением. Выбор способа травления зависит от природы металла, характера и толщины слоя покрывающих его окислов, а также от характера дальнейшей обработки, так как по­ сле удаления окислов возможно появление значительной шероховатости поверхности. Травление может быть ус­ пешным только в том случае, если поверхность изделия предварительно очищена от жировых загрязнений, по­ этому травление производят после обезжиривания; ис­ ключение представляет травление в щелочном растворе.

Химическое травление состоит в погружении провод-

135

ника в растворы кислот и щелочей, реагирующих с окис­ лами данного металла. Для меди наиболее распростра­ нено травление в 10%-ном растворе серной кислоты. При этом .происходит реакция

СиО+НгЭО^СиЗС^+НгО.

Для травления алюминия используют растворы ще­ лочей.

Электрохимическое травление бывает двух видов: анодное и катодное. Анодное травление основано на электролитическом растворении поверхностного слоя ме­ талла и механическом отрыве окислов выделяющимся кислородом. На катоде в это время происходит бурное выделение водорода. В качестве электролитов применяют растворы кислот или солей растравливаемого металла:

Катодное травление происходит за счет восстановле­ ния бурно выделяющимся водородом окислов металла и последующего механического их отделения от поверхно­ сти. Обычно в качестве электролита используется смесь серной и соляной кислот, а анодом служит свинец. Плот­ ность тока при анодном и катодном травлении состав­ ляет обычно 5— 10 а/дм2. Процесс катодного травления проводников почти совершенно исключает опасность перетравливания, однако может вызвать наводораживание, что поведет к хрупкости и водородной болезни, если медь содержит примеси кислорода.

Одним из наиболее эффективных методов электрохи­ мической обработки поверхности является полировка. Наибольший эффект от этой операции можно получить, совмещая ее с электрохимическим травлением окислов, которое нуждается в последующем уменьшении шерохо­ ватости. Электролитическая полировка основана на том, что поверхность изделия активна на микроскопических выступах и пассивна в микроскопических углублениях, что и приводит к выравниванию рельефа. Это возможно при образовании в микроуглублениях анода тонкой вяз­ кой пленки с большим электрическим сопротивлением. В результате плотность тока на выступающих участках металла становится во много раз выше, чем на впади­ нах, экранированных пленкой, что приводит к интенсив­ ному растравливанию выступов.

Электролиты для электролитической полировки при­ готавливаются на основе фосфорной и серной кислот или смеси этих кислот с хромовой или органической. Для по-

136

лировки меди и медных сплавов применяют растворы ортофосфорной кислоты.

Указанная подготовка поверхности проводника про­ изводится, как правило, для нанесения на него покрытия. Покрытия могут быть электроизоляционными (эмали); жаростойкими (окислы, керметы, тугоплавкие и жаро­ стойкие металлы и сплавы); имеющими высокую элек­ трическую проводимость (серебро); способными к адге­ зии, пайке (олово).

Покрытие представляет собой слой металла, хими­ ческого соединения или смеси металла с химическим сое­ динением на поверхности проводника.

Технология нанесения покрытий может быть различ­ ной: из расплава материала покрытия, высаживанием электрохимическим методом из раствора или расплава электролита, осаждением в вакууме из паровой фазы и т. п.

Если покрытие наносилось из расплава или из жид­ кого раствора, то решающим фактором, способствующим получению слоя, равномерно распределенного по поверх­ ности, является хорошее смачивание поверхности рас­ плавом или раствором.

Смачивание представляет собой особый вид взаимо­ действия жидкости с твердым телом; оно предшествует химическому взаимодействию, растворению и диффузии и проявляется в форме растекания капель жидкости по твердому телу. Процессы растекания капли жидкости по твердой поверхности или, наоборот, свертывания жидких пленок являются самопроизвольными в том случае, ког­ да они энергетически выгодны.

Энергетическая выгодность этих процессов опреде­ ляется убылью свободной поверхностной энергии. Явле­ ние смачивания, определяется размерами поверхностных энергий на границе раздела трех фаз: твердой, жидкой и газообразной, но решающая роль принадлежит напряже­ нию, возникающему между жидкой и твердой фазами. Существенное влияние на растекание оказывает внутрен­ нее и междуфазное трение, которые противодействуют растеканию. Особое значение в смачивании имеют при­ рода металла проводника и чистота его поверхности. Не­ большие добавки могут существенно повлиять на актив­ ность поверхности металла; лучшему смачиванию спо­ собствует развитие химических реакций между металла­ ми и расплавами покрытия.

На границе соприкосновения двух фаз (металла и по­ крытия) при благоприятных условиях происходят физи­ ко-химические процессы взаимодействия. При этом сле­ дует различать первичные процессы и вторичные. Воз­ никновение вандерваальсовых сил притяжения или хими­ ческой связи между покрытием и металлом, будь то ион­ ная, ковалентная или металлическая связь, представляет собой первичный процесс, имеющий поверхностный ха­ рактер. В результате первичного взаимодействия возни­ кает адгезия, т. е. связь между атомами, находящимися в различных фазах. Адгезия (эрг1см2 или ккал/моль) представляет собой работу разделения двух фаз с пло­ щади контакта 1 см2.

Адгезия возникает в результате взаимодействия, рас­ падающегося на две стадии — прилипания и сцепления; Прилипание — начальная стадия. Силикатные расплавы и расплавы металлов прилипают лишь к нагретым по­ верхностям. Для каждого металла при прочих равных условиях характерна определенная температура, ниже которой прилипание не наступает. Отличие сцепления от прилипания связано со временем, в течение которого рас­ плав находился в контакте с твердой поверхностью. Сцепление является следствием вторичных процессов, которые начинаются с поверхности и развиваются вглубь. К ним относятся химические и электрохимические реак­ ции, растворение, атомная диффузия. В результате вто­ ричных процессов изменяется рельеф поверхности, обра­ зуются новые продукты реакций, изменяется концентра­ ция исходных компонентов у границы раздела и т. п.

Прочность как сцепления, так и прилипания изме­ ряется силой, необходимой для отрыва покрытия от осно­ вы на единице площади. Разрыв при испытании может произойти по границе раздела (адгезионный отрыв) либо по материалу промежуточного слоя, либо по материалу основы или покрытия. Возможен и смешанный характер разрыва.

Другим параметром, определяющим качество покры­ тия, является пористость. При толщинах около 1—2 мкм пористость наблюдается практически при всех способах нанесения покрытий. Пористость покрытия характери­ зуется количеством и размерами пор на единице поверх­ ности. Поры выявляются с помощью раствора-индика­ тора, окрашивающего покрытие в месте расположения поры.

138