Mikrohullámú berendezések invárból készült szűrő alkatrészeinek galvanikus kikészítése Modern mikrohullámú berendezésekben a 60-as évek közepétől jelenik meg az invár, mint m i k r o h u l l á m ú alkatrészek, anyaga. A l k a l m a z á s á t kis hőtágulási e g y ü t t h a t ó j a teszi indokolttá. Amíg a réz 0,0162— 0,0165 m m / m °C, a sárgaréz 0,0184 m m / m °C h ő tágulási e g y ü t t h a t ó v a l rendelkezik, addig az inváré (FeNi 36) ennél egy nagyságrenddel kiseb'b, 0,0016 m m / m °C, következésképpen széles hőfoktartomány-, ban méretállandó alkatrészek készíthetők belőle. í g y invár alkatrészekből készült mikrohullámú láncok szélsőséges időjárási viszonyok k ö z ö t t is üzemeltet hetők. Az i n v á r ( F e N i 36) alapanyagból készült alkat részek kikészítése t ö b b olyan p r o b l é m á t vetett fel, amelyek az eddig: használt alapanyagoknál nem me rültek fel. A követelmény a következő v o l t : korró zióállóságot biztosító bevonatrendszer kialakítása, amelynek utolsó rétege nagy vezetőképességű ezüst. Meg kellett oldani a bonyolult, üreges alkatrészek, pl. 150—200 m m hosszú, kis keresztmetszetű üre gek belső felületének kikészítését is. Jelentős előkészítő feladatot jelentett a megmun kálási körülmények tisztázása. A m e g m u n k á l a n d ó anyag rendkívüli szíyóssága, valamint a forgács elvezetés megoldatlansága jelentett kezdetben prob lémát, ezenkívül a repedésveszély m i a t t a forrasztás ra kerülő i n v á r anyagokat lágyítani kellett, védő gázos kemencében. /
Az eddig réz alapanyagból készült mikrohullámú berendezések szűrő alkatrészei azzal a — gazdasági szempontból is nagyon k á r o s -f hibával rendelkez tek,, hogy a hőfokváltozás k ö v e t k e z t é b e n ^ szoba hőmérsékleten beállított amplitúdófrekvencia- és cso portfutásiidőfrekvencia-görbék eltorzultak. í g y a be rendezésre specifikált intermodulációs zajelőírás egy adott hőmérséklettől nem teljesült. E z t a h i b á t k ü szöböli k i az invár ( F e N i 36) alapanyagból készített szűrő. Az összehasonlítás k e d v é é r t az 1. táblázatban k ö zöljük a szűrő alapanyagok elektromos szempontból lényeges jellemző tulajdonságait. A 8 GHz-es frekvenciasávban, a vörösrézből k é szült szűrőnek 2,6 M H z , alumíniumból k é s z ü l t szűBeérkezett: 1979. X . 15.
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980, 3. szám
FARK£S SÍNDOR ORION
b
N
rőnek 3,8 M H z , invárból készült szűrőnek pedig csak 0,26 M H z az elhangolódása. Az elhangolódás még ennél is nagyobb lehet, mert a beállítás szoba hőmérsékleten (25 °C) történik, viszont a szűrő á keret felső részében helyezkedik el, ahol a k ö r n y e zethez k é p e s t k b . 10 °C-kal magasabb hőmérséklet mérhető. í g y a környezeti hőmérséklet felső h a t á r á nál, ahol a berendezésnek a specifikált jellemzőket teljesíteni kell(45 °C), a szűrő hőmérséklete k b . 55 °C, ennek alapján a s z á m í t o t t n á l 1,5-szer rosszabb a helyzet. l. táblázat Mikrohullámú, szűrő alapanyagok elektromos szempontból jellemző tulajdonságai Lineáris hőtágulási együttható (a)
Megnevezés Vörösréz Alumínium Invár Ezüst Sárgaréz
l,63-10-s/°C 2,37-10-5/°C 0,16-10- /°G l,95-10- /°C l,84-10- /°G 5
5
6
Fajlagos ellenállás (C) 1,724-102,878 -10-a 12,0-10-8 1,594-10-8 5,314-10-8 8
Dm Qm Qm üm Qm
\
Az információtovábbítás szempontjából a lényeges sávszélesség k b . 8 M H z , s ebben a sávszélességben, 20 G-os működési h ő m é r s é k l e t - t a r t o m á n y b a n a futásidőgörbe torzulása az invárból készült szűrők nél a legkisebb (1. ábra). ' Ugyanakkor az invár nagy fajlagos ellenállása miatt elektromos szempontból rosszabb (veszteség), mint a k á r az alumínium, a k á r a vörösréz. Ezeknél a szűrőfajtáknál az elektromos á r a m a felület igen v é k o n y rétegében folyik. A behatolási mélységet (<5) az alábbi képlet alapján számoljuk k i : a
ahol:
Q a fajlagos ellenállás MKS-egységben, fj, a mágneses permeabilitás, / a frekvencia Hz-ben.
105
Aktiválás
savakban
Aktiválni erős szervetlen . savakban, illetve azok keverékében lehet. K a t ó d n a k kapcsolva a munka darabot, az aktiválási idő lerövidíthető. Anódos ke zelést csak kivételes esetben, pl. k r ó m t a r t a í o m esetén alkalmaznak, ugyanis az erősen savas oldat bemaródásokat idézhet elő a munkadarabon az anódos h a t á s következtében. Aktiválás u t á n öblítés nélkül, közvetlenül a galvánfürdőbe t o v á b b í t j u k a t á r g y a t , ha közbenső öblítés szükséges, ú g y ennek gyorsnak és intenzívnek kell lennie. Levegőn a t á r g y gyors passziválódása miatt csak rövid ideig t a r t ó z k o d h a t . Kísérleteink során h á r o m v á l t o z a t o t p r ó b á l t u n k k i :
1. ábra. A rezonanciafrekvencia változása a hőmérséklet függvényében
A behatolási mélység értéke ezüst esetén 0,8 ji.m, t e h á t k b . 4 jj.ni vastag ezüstréteg felvitele esetén a szűrő- csillapítás szempontjából ú g y viselkedik, mintha ezüstből készült volna. A fentiek, vagyis gazdasági és elektromos szem pontok t e t t é k szükségessé megbízható ezüstözési el járás kidolgozását i n v á r ( F e N i 36) alapanyagból készült, üreges mikrohullámú alkatrészekre. Az elmondottakkal kapcsolatos felmerülő problé m á k a t 3 nagy csoportra oszthatjuk: 1. jól t a p a d ó bevonatrendszer kialakítása, 2. megfelelő korrózióállóság biztosítása, 3. bonyolult, üreges alkatrészek kikészítése.
Kísérleti eredmények Jól tapadó bevonatrendszer
!
kialakítása
Az invár a magasan ötvözött vasötvözetek tartozik. Összetétele: Ni C Mn Si S P Fe
közé
35-37%, 0,5-0,6%, 0,5%, 0,2%, 0,02%, 0,02%, 63-65%.
A magas nikkeltartalom a nikkel passziválódásra való hajlama miatt megakadályozza jól t a p a d ó be vonatok készítését. Ez azt jelenti, hogy a felület tökéletes e l ő k é s z í t s e esetén sincs jó t a p a d á s a a fel v i t t galvánrétegnek, tekintettel arra, hogy a nikkel szemcséken kialakuló vékony, jól t a p a d ó oxidréteg a galvánrétegek t a p a d á s á t gátolja.
1. aktiválás 20—25 tf%-os k é n s a v b a n , 1 perces bemerítéssel (a hidrogénfejlődés megindulása u t á n ) , 6 0 - 8 0 °C-on; . 2. katódos kezelés 10—20 s%-os sósavoldatban, 2 A / d m áramsűrűséggel, szobahőfokon; 3. k a t ó d o s kezelés 10—50 tf%-os kénsavoldatban, 0,5 A / d m áramsűrűséggel, szobahőfokon. 2
2
A z t tapasztaltuk, hogy m i n d h á r o m eljárás közös h á t r á n y a , hogy az aktiválás u t á n , védő fémréteg h i á n y á b a n ismételt passziválódás következik be, és nagy a bemaródás veszélye is. Aktiválás tokban
fémréteget is leválasztó erősen savas elektroli
E n n é l az eljárásnál az aktiválási folyamatot egy fémréteg leválasztásával kapcsoltuk össze. A frissen leválasztott a k t í v fémréteg védi meg a passziváló dástól az alapot, biztosítja a t o v á b b i rétegek tapa dását. Kísérleteink során h á r o m eljárással foglalkoz t u n k b e h a t ó b b a n , egyrészt a) vasréteget használva tapadásközvetítőnek, másrészt b) réz közbenső réteg kialakítását és c) nikkelkloridos aktiváló fürdőt vizsgálva. a) Mivel nagy - szériákról v o l t szó, az olcsóbb vasfürdőkkel kísérleteztünk első lépésben, b á r üze meltetésük nehézkesebb, mint a nikkelfürdőké, mivel folyamatosan v á s ( I l l ) - i o n o k képződnek a fürdő ben, melyek törékennyé teszik a bevonatot. E z é r t folyamatos redukálásukról kell gondoskodni, ez p H p r o b l é m á k a t vonhat maga u t á n . A vizsgált vasfür dők közül még a legmegfelelőbbnek az alábbi össze tételű bizonyult: FeCl -4H 0 MgCl K a t ó d o s áramsűrűség Hőmérséklet 2
2
2
260 g / l , 175 g / l , 3 A/dm , 9 0 - 9 5 °C. 2
A vasfürdők alkalmazását végül is nagy fűtésigényük, valamint stabilitási problémák m i a t t elvetettük. A jó t a p a d á s biztosítása érdekében aktiválni kell b) Réz közbenső réteg kialakításánál problémát a felületet. Az a k t i v á l á s n a k különböző lehetőségei jelent, hogy a réz nemesebb lévén az invárnál cevannak. Kísérleteink során k é t módszerrel foglalkoz ^mentáló következik be, és rosszul t a p a d ó rézbevonat tunk behatóbban, úgymint válikpe. A cementáció elkerülésére ezért olyan elekt a) aktiválás savakban merítéssel, i l l . k a t ó d o s a n ; rolittal próbálkoztunk, amely nagy savtartalom mel b) aktiválás fémréteget is leválasztó erősen savas l e t t kis rézion-koncentrációjú. Megközelítő ered elektrolitban. m é n y t é r t ü n k el az alábbi fürdővel:
106
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 3. szám
HCIcc. CuSo .5H 0 K a t ó d o s áramsűrűség 4
2
1:1, 0,4 g / l , 3—5 A / d m . 2
A z alacsony rézkoncentráció k ö v e t k e z t é b e n a fenti fürdő nagyon érzékeny volt a szennyezésekre, ezért technologizálásnál e l v e t e t t ü k . c) A nikkelkloridos aktiváló fürdők előnye t ö b bek között az, hogy a leválasztott v é k o n y , jól ta p a d ó nikkelréteg közvetlenül fémezhető. Kísérleti eredményeink alapján az alábbi összetételt tartot t u k a legmegfelelőbbnek: NiCl .6H 0 HCIcc. K a t ó d o s áramsűrűség Hőmérséklet 2
2
240 g / l , 85ml/l, 3 A/dm , 1 8 - 2 0 °C. 2
A gyakorlatban a h á r o m fémréteg közül a nikkel közbenső réteg felvitele bizonyult a legjobbnak, az alábbiak m i a t t : 1. a nikkelfürdő magas s ó s a v t a r t a l m a folytán az aktiválás kielégítő; 2. a leválasztott nikkel probléma nélkül t o v á b b fémezhető; 3. a nikkelfürdő szobahőmérsékleten m ű k ö d i k ; 4. üzemeltetése, k a r b a n t a r t á s a egyszerű. A jól t a p a d ó kikészítés mindenkori alapfeltétele a zsír- és oxidmentes felület. A z előzőekben ismertet t ü k az aktiválás műveletét, ahhoz azonban, hogy az aktiválás eredményesen lefolytatható legyen, az alkatrészekről el kell távolítani a t a p a d á s t gátló oxidokat és zsírszennyeződéseket. Az invárból készült mikrohullámú alkatrészeknél i t t is új problémák merültek fel, nevezetesen a ke ményforrasztott kivitelben készült szűrőknél. A ke- , ményforrasztás Deggusa H . spec. keményforrasszal történik 800 °G-on. A forrasztási m a r a d é k o k , külö nösen hosszabb állás u t á n , nehezen eltávolítható korróziós gócot képező lepedéket adnak. Ugyanak kor erős revésedés is felléphet. A folyósítószer és a reve eltávolítására t ö h b módszert, p r ó b á l t u n k k i . A szóbaj öhető megoldások a következők yoltak: egyrészt csak kémiai kezelés", másrészt k o m b i n á l t kémiai és mechanikai kezelés. 1. Kémiai módszerként lúgozást és inhibitort tar talmazó sósavoldatba t ö r t é n ő bemerítést alkalmaz tunk. Tapasztalatunk szerint ez a kezelés csak fel szította a folyósítószer-maradványokat, de t a p a d á suk — különösen a forrasztási hézagoknál — to v á b b r a is olyan erős volt, hogy az elektrolitikus zsírtalanító intenzív „oxigén, i l l . hidrogén dekapír"ja sem tudta tökéletesen eltávolítani azokat. ;
2. Kémiai és együttes mechanikai kezeléssel (keféléssel) a folyasztószer-maradványok eltávolithatókk á váltak. Az üregek belsejébe azonban tisztító ke fével benyúlni problematikus, nem beszélve az elő készítés munkaigényességéről. F e l v e t ő d ö t t a nedves szemcsefúvás technológiájának alkalmazása, mely nek lényege a k ö v e t k e z ő : alumíniumoxid vizes szusz penzióját n y o m á s alatt a felületre kell j u t t a t n i , ahol a csiszolószemcsék k o p t a t ó h a t á s á r a a felület fém tiszta lesz. P r o b l é m a k é n t jelentkezett azonban a Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 3. szám
szemcsefúvásnái a* felület durvulása, mely az alkat rész elektromos p a r a m é t e r e i t ronthatja. A z elérhető felületminőség az a l k a l m a z ó i t zagy-nyomás függvé nyében változik. E s e t ü n k b e n a max. 2 atm. n y o m á s mutatkozott a legmegfelelőbbnek. Ezen a nyomáson a műkorundos-vizes zagy még elégendő k o p t a t ó ha tással rendelkezik a folyasztószer, illetve a durva oxid eltávolítására, ezért technologizáláskor ezt a módszert v á l a s z t o t t u k . Korrózióállóság
biztosítása
Az invár magas nikkeltartalma ellenére — lévén, hogy nem austenites szerkezetű — nedves légtérben gyorsan korrodál. Gyorsított nedves—meleg vizs gálataink azt m u t a t t á k , hogy k é t ciklus u t á n erős rozsdásodás lép fel. Különösen veszélyesek az alap anyagban levő v é k o n y repedések, lunkerek. Veszélye sek a zsákfuratok,' i l l . keményforrasztott szűrők ese t é n a forrasztási hézagok. A kapilláris h a t á s folytán ugyanis a lecsapódó víz a repedésekbe beszivárog, és réskorrózió alakul k i , ahol a kevésbé szellőzött részek viselkednek a n ó d k é n t . A végkikészítésként megkövetelt ezüstréteg védő b e v o n a t k é n t kimondottan rossz. A z ezüst jóval ne mesebb potenciálú, mint az álapfém. E z é r t p á r a lecsapódás esetén galvánelem alakul k i , melynek k a t ó d j a az ezüst, oldódó korrodáló része pedig a vas. A korrózió oxigén-depolerizációval megy végbe, a k a t ó d o s folyamat a k ö v e t k e z ő : 0 +2H 0+4e-=40H-. 2
2
Az anódos folyamat pedig a vas ionizálódása, mely nek e r e d m é n y e k é n t vashidroxid, azaz rozsda k é p ződik. Korrózióvédelmi szempontból ezért közbenső fém réteget kell felvinni, melynek célja az alapfém el zárása 2a ezüstrétegtől. Erre a célra k é t fém jöhe t e t t s z á m í t á s b a : nikkel, illetve réz. Bonyolult alkat részek esetén is egyenletes rétegvastagság-eloszlást kellett biztosítani, azaz k ö v e t e l m é n y volt a fürdőjó makroszórása. Mivel a cianidos rézfürdő polari zációs p a r a m é t e r e 1,55, vagyis négyszerese a nikkel fürdőnek, így előbbivel egyenletesebb rétegvastag ság-eloszlás biztosítható. A cianidos rézfürdő á r a m kihasználása az áramsűrűség növekedésével rohamo san csökken, ez is az egyenletesebb rétegeloszlást segíti elő. Cianidos rezezés esetén a munkadarabokon korró ziós nyomok csak hat ciklus u t á n jelentkeztek (gyor s í t o t t nedves—meleg klímavizsgálat során), bizonyít va azt, hogy a korrózióállóság megnövekedett. Eb ben az esetben is a forrasztási résekből indult a kor rózió, jelezve, hogy a forrasztás minősége mennyire befolyásolja az egész alkatrész korróziós viselkedé sét. A megfelelő bevonatrendszer felépítése t e h á t a k ö v e t k e z ő : nikkel —réz—ezüst ( passzíváit). Bonyolult alkatrészek
kikészítés?
A kikészítendő mikrohullámú alkatrészek egy ré szét felépítésükre nézve az alábbiak jellemzik:
107
7. Homokfúvás max. 2 atm-val (keményforrasztás esetén). Alkatrészek
iiiüiii
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
2. ábra. Átmenő, szűk furatokkal ellátott, profilos mikro hullámú üreg ezüstözve
® e ©<•>
8. 9.
galvanizálása
Oldószeres zsírtalanítás; Pácolás ZSIPA-oldatban; y öblítés; . Elektrolitikus zsírtalanítás, k a t ó d o s a n ; Öblítés; Dekapírozás 10%-os sósavoldatbatí; Nikkelkloridos aktiválás, a fürdő összetétele: Nikkeiklorid 240-250 g/l, Sósav cc. 80-90 g/l; öblítés; Galvanikus rezezés, a fürdő összetétele: Rézcianid 55 g/l, Nátriumcianid 15 g / l , Szabad cianid 10 g/l, Nátriumkarbonát 40 g/l, Nátriumtioszulfát 0,5 g / l , K a t ó d o s áramsűrűség 1 A/dm , Hőmérséklet 5 0 - 6 0 °C, ' pH 11-12, réz, anód, exp. idő 25 perc, a fürdőt folyamatosan szűrni kell; ö b l í t é s folyóvízben; Előezüstözés; Ezüstözés, á fürdő összetétele: Ezüsfcianid 8 0 - 9 0 g/l, Kalciümcianid ( szabad) 70—80 g/l, Káliumkarbonát 5 0 - 6 0 g/l, Tiokarbamid 2 0 - 2 5 g/l, Dimetiíszulfoxid 0,1 — 1 g/l, K a t ó d o s áramsűrűség 2 A/dm , Alkalmazott feszültség 3—5 V , Hőmérséklet 2 0 - 2 5 °C, Expozíciós idő 20 perc, Ezüstlemez anód, K a t ó d m o z g á t á s (sebesség: 5—6 m/sec); ö b l í t é s , szárítás. 2
i
10. 11. 12.
3. ábra. A külön áramkörökkel működő segédanóda-rendszer
a) á t m e n ő , szűk furatokkal ellátottak, rendkívül profilosak, méreteik szigorúan előírtak (2. áb ra);
2
b) négyszögprofilú h ú z o t t csövek, beforrasztott csapokkal, mikrohullámú szempontból .működő felületeik a bonyolult geometriájú belső felü letek. A bonyolult alkatrészek korrózióvédelmének, illet ve a belső felületek elektromos szempontból megfelé lő egyidejű kikészítésének biztosítására alkalmas segédanóda-rendszert dolgoztunk k i ( 3 . ábra).,
Invárból készült bonyolult alakú mikrohullámú alkat részek ezüstözésére kidolgozott technológia Alkatrészek
előkészítése
Az előkészítési m u n k á k forgácsolás u t á n , lágyítás és forrasztás k ö z ö t t , illetve közvetlenül galvanizá lás előtt t ö r t é n n e k . 1. Zsírtalanítás triklóretilénben folyadék, 111. gőz fázisban; 2. Reve- és oxideltávolítás cc. s ó s a v b a n ; 3. Öblítés; 4. Szárítás; 5. Folyósítószer-maradék eltávolítása 20%-os lúg oldattal; 6. Öblítés;
108
13.
Az ezüstözés expozíciós idejét a k í v á n t rétegvas tagság alapján számítjuk, lásd 2. táblázat. 2. táblázat ' Expozíciós idő—rétegvastagság összefüggése Áramsűrűség Exp. idő perc
0,5 A/dm
1
1 A/dms
1,5 A/dm
2
2 A/dm«
RétegvastagF ág [im-taen
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0,32 0,64 0,96 1,28 1,60 1,92 2,24 2,56 2,88 3,20
Híradástechnika
0,64 1,28 1,92 2,56 3,20 3,84 4,48 5,12 5,76 6,40
XXXI.
0,96 1,92 2,88 3,84 . 4,80 5,76 6,72 7,86 8,64 9,60
1,28 2,56 3,84 5,12 6,40 7,68 8,96 10,24 11,52 12,80
.
évfolyam 1980. 3. szám
rl5
27
16
9 O 25 Q 9 10
Q
10
OO
5 65
Q
5
7,5
«00"2
I
*'
M
MÉM
Q
8
OQ«
4
4. ábra. Forrasztott, botos szűrő metszésvonalainak fényképe
s
, o• =00' 10,5
o
5
12,5
11 O 22 O l 2 18
29
21
B938-7 7. ábra. A rétegvastagság-eloszlás az „A" metszeten. (Jól látható a botok árnyékoló és a segédanóda-rendszer kiegyen lítő hatása)
5. ábra. Invár alapanyagból készült szűrő metszésvonalainak fényképe.
10 p n
-E
Összefoglalás A kidolgozott kikészítési eljárás lehetővé tette az invár kedvező tulaj donságainalc kihasználását mikro hullámú berendezések alkatrészeinél. Az eljárás al kalmazása megfelelő korrózióállóságot biztosít, a mikrohullámú láncok szélsőséges időjárási viszonyok k ö z ö t t az elhangolódás veszélye nélkül üzemeltethe tők. V
INVAR
1
Sí ^
1 0
1. A kidolgozott aktiválási eljárás biztosítja a gal vanikusan leválasztott e z ü s t b e v o n a t kiváló t a p a d á s á t (4. ábra).
-"S ,0,1
2. Az ismertetett technológia alkalmazása biztosítja az alkatrészek jó korrózióállóságát.
fim 10-
170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 Számarany B 938-6
6. ábra. Transzformációval készült Betascope-os rétegvastag ság-mérés eredménye x
v
Híradástechnika
XXXI.
évfolyam 1980. 3. szám
3. A kidolgozott segédanóda-rendszerek az elektro mos szempontból lényeges belső felületeken a réteg vastagság-eloszlás egyenletességét biztosítják, amit a Betascope-val m é r t rétegvastagság-értékek is b i z o n y í t a n a k (5., 6\, 7. ábra).
