МОЖЕТ ЛИ МЕТАЛЛ БЫТЬ КЛЕЕМ?
ЧЕТЫРЕ ВОПРОСА И ОДИН ОТВЕТ
...Археолог задумчиво рассматривал извлеченное из захоронения золотое украшение: «Изделие, по-видимому, литое, но как древний мастер смог отлить украшение такой сложной формы?»
«...Этот зуб не причинит вам неприятностеи он еще вас переживет», - оптимистически заметил зубной врач, поставив мне пломбу лет двадцать тому назад. Я не особенно сожалею о том, что мне не удалось проверить справедливость второй части его утверждения; меня вполне удовлетворяет правдивость первой части... Но что же сделал врач с моим зубом?
И еще два вопроса - из области современной техники.
Как быстрее и проще всего соединить порванный кабель, проходящий по морскому дну?
Как присоединить выводы к электронным микросхемам, если нагрев до температуры пайки выводит их из строя?
Как следует из названия этой главы, решения столь разнообразных задач основаны на одном и том же явлении. А заключается оно в следующем: если смешать какой-либо жидкий при комнатной температуре металл (очевидный пример - ртуть) с порошком более тугоплавкого металла, скажем меди, то получится пастообразная, однородная на вид масса - амальгама. Ей, естественно, легко придать некую форму. А дальше происходит самое интересное: пастообразная масса сама собой переходит в твердое состояние.
Причина - во взаимной диффузии: медь растворяется в ртути, атомы ртути проникают между атомами меди. Более того, ртуть химически связывается с медью, образуя различные сплавы. А плавятся они при значительно большей температуре, чем ртуть, потому-то паста и затвердевает, «схватывается».
Теперь не сложно ответить на вопрос археолога: пасту из ртути и золота (которое тоже хорошо растворяется в ртути) можно залить в любую форму. И врач, запломбировав зуб, защитил пломбу медной амальгамой.
Вполне понятно, что такие самотвердеющие при комнатной температуре пасты заманчиво применять для соединения токопроводящих деталей, особенно в тех случаях, когда не подходят пайка или сварка. Однако «схватывания» для этого недостаточно. Нужно еще прилипание, или адгезия, пасты к поверхностям соединяемых деталей. Поскольку ртуть довольно хорошо смачивает многие металлы, особенно если на них нет окисной пленки, то можно ожидать хорошей адгезии.
В стране советов такой способ соединения электропроводящих деталей впервые был применен в лаборатории динамики машин Института машиноведения АН СССР. Пастообразная смесь жидкого металла с металлическим порошком получила название «мекладин» - МЕталлический Клей ЛАборатории Динамики машИН.
Медно-галлиевый клей под микроскопом.Темные кружки - частицы меди.Снимок сделан сразу после приготовления клея.
Однако не все материалы смачиваются металлическим клеем (точнее, его жидким компонентом). Для примера назовем хотя бы керамику. К счастью, у мекладина есть свойство, довольно редко встречающееся у клеев: он увеличивается в объеме при схватывании. И когда он окажется в зазоре между деталями, одна из которых охватывает другую, то в нем возникнет внутреннее давление. Оно как' бы прижмет клей к деталям, не давая им сдвинуться друг относительно друга: получится хорошо известная машиностроителям напряженная посадка. К тому же, если в деталях есть поры, мекладин проникнет в них.
Если же предстоит склеить детали иной, не «охватывающей» конструкции, то внутреннее давление в клее можно создать искусственно, сжимая детали.
НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО РТУТЬ
Вероятно, читатель, наслышанный о вредности ртути, немало удивлен тем, что автор нахваливает «ртутный» клей. Спешим успокоить читателя: для клея ртуть применяют очень редко. Она приведена в пример лишь потому, что ртуть знают все. На самом деле жидким компонентом может быть и другой металл. В принципе можно, например, смешать расплавленную медь с вольфрамом при температуре несколько выше точки плавления меди. Однако вряд ли это разумно: слишком уж высока эта температура...
И все же ртуть не единственный металл, жидкий приневысокой температуре.Галлий плавится и затвердевает при 29,9°С, и в отличие от ртути он не ядовит. Существует весьма распространенное (и неверное!) мнение, что галлий - редкий, недоступный металл. На самом деле земная кора на 0,0015% состоит из галлия - ртути в ней в 13 раз меньше! Сейчас наша промышленность производит технический галлий в достаточном количестве. Его получают в основном как попутный продукт на алюминиевых заводах.
Жидкий галлий еще лучше, чем ртуть, смачивает многие материалы. С галлиевым клеем работают при температуре чуть выше точки плавления галлия (в дальнейшем она причислена к комнатной). При более высокой температуре работать нет смысла, поскольку диффузия в клее произойдет слишком быстро, а значит, «время жизни» его сократится. Иногда идут на некоторые усложнения и вместо галлия берут его сплавы с индием, оловом, серебром и т. д., которые плавятся при температурах, меньших 20°С.
КАК ВАЖНО БЫТЬ ВНИМАТЕЛЬНЫМ
Готовят мекладин очень просто - растирая в ступке смесь жидкого металла и порошка. Нужно именно растирать, а не смешивать, чтобы нарушить окисные пленки на крупинках металла, тогда они хорошо будут смачиваться галлием. Приготовленный клей можно хранить очень долго, если только понизить его температуру ниже точки плавления жидкого металла. Клей при этом затвердеет (не путать со «схватыванием»!). Опыт показывает, что такая путаница возможна: мекладин наносили на холодные детали, его температура падала ниже 30°С, и галлий затвердевал. Естественно, что стоило немного нагреть детали, как галлий вновь расплавлялся, и детали расклеивались. А чтобы клей схватился, его нужно не охлаждать, а нагревать.
Прежде чем нанести клей, с поверхности нужно удалить окисную пленку, иначе не будет смачивания. Вот один из простейших приемов: окисную пленку процарапывают твердым острием, смоченным галлием. Поскольку «свежая» поверхность изолирована от кислорода каплей галлия на конце острия, то окисная пленка не появляется, и металл детали, как правило, хорошо смачивается галлием.
Вода, кстати, не мешает смачиванию: галлий очень хорошо смачивает металлы и практически полностью оттесняет воду. Поэтому-то мекладином можно склеивать металлы под водой.
Скорость диффузии, как известно, резко возрастает с повышением температуры; поэтому для сокращения времени схватывания склеенные детали нагревают. Время термообработки невелико, например, при 200°С не более 10 минут.
КЛЕЙ ИЛИ НЕ КЛЕЙ?
Тот же клей спустя 20 мину т60. Начинается процесс диффузии.Структура затвердевшего мед-но-галлиевого клея
И в самом деле, почему металлический сплав столь упорно называют клеем? Если клеями считать только органические клеи, то вопрос правомерен. Но правильна ли такая предпосылка?
Было время, когда клеями считались лишь вещества растительного и животного происхождения. Не столь давно появились и быстро заняли ведущее положение органические синтетические клеи. Очевидно, настало время еще более расширить рамки понятия «клей», включив в него и клеи металлические.
Процессы, идущие в металлическом клее во время схватывания, химические по своей сущности. А пайка и сварка основаны на физических превращениях (плавление - затвердевание). Более того, палные и сварные соединения не могут выдержать температур, превышающих температуру пайки или сварки; мекладин же после схватывания можно нагревать до тысячи с лишним градусов.
А теперь - несколько слов о небольшой хитрости, придуманной при «крещении» этого способа. Человеческий ум в большей или меньшей степени находится в плену опыта, приобретенных знаний; нередко зто
направляет нашу деятельность по пробитой колее, даже если изменились условия (например, появился новый способ соединения деталей). В лучшем случае это приводит к ограничению возможностей нового. В худшем - когда новое применяется в старых, непригодных для него условиях - к опорочиванию этого нового. И вот для того, чтобы этого не произошло, смесь галлия с порошком металла решили назвать не «холодным припоем», а металлическим клеем. Тогда «по колее» не пойдут ни специалисты по пайке, ни специалисты по клею - ведь клей-то не обычный, а металлический!
Соберем вместе положительные свойства металлических клеев: хорошая электропроводность и теплопроводность, высокие, порядка 1000°С, эксплуатационные температуры, способность увеличиваться в объеме при схватывании, отсутствие коробления деталей (что случается при пайке и сварке).
Естественно, что металлические клеи не идеальны. Например, они могут понижать прочность склеиваемых деталей, причем иногда катастрофически. Это вызвано тем, что жидкие металлы, входящие в состав клея, поверхностноактивны. Может случиться так, что, попав в микротрещину, они быстро углубят и расширят ее - и разрушение неизбежно.
Но не нужно думать, что мекладин создан для замены всех прочих клеев. Просто в некоторых случаях его можно использовать там, где неприемлемы известные способы - обычное склеивание, сварка или пайка. Нужно лишь выбрать способ, в данных условиях лучший.
Ь заключение автор хочет обратиться к создателям новых клеев: пожалуйста, не вынуждайте нас коверкать русский язык! Разве плохи слова - «капрон», «лавсан»? А как быть с такими клеями, как «РРЭ-2», «1235-ПЗ-6789» (попробуй еще разберись, то ли «пэ-зэ», то ли «пэ-три»...). Как их запомнить? Как употребить, например, в творительном падеже? Если вы смогли изобрести новый клей, то неужели не сможете изобрести для него благозвучное название?
Кандидат технических наук И И. СМЫСЛОВ
...Археолог задумчиво рассматривал извлеченное из захоронения золотое украшение: «Изделие, по-видимому, литое, но как древний мастер смог отлить украшение такой сложной формы?»
«...Этот зуб не причинит вам неприятностеи он еще вас переживет», - оптимистически заметил зубной врач, поставив мне пломбу лет двадцать тому назад. Я не особенно сожалею о том, что мне не удалось проверить справедливость второй части его утверждения; меня вполне удовлетворяет правдивость первой части... Но что же сделал врач с моим зубом?
И еще два вопроса - из области современной техники.
Как быстрее и проще всего соединить порванный кабель, проходящий по морскому дну?
Как присоединить выводы к электронным микросхемам, если нагрев до температуры пайки выводит их из строя?
Как следует из названия этой главы, решения столь разнообразных задач основаны на одном и том же явлении. А заключается оно в следующем: если смешать какой-либо жидкий при комнатной температуре металл (очевидный пример - ртуть) с порошком более тугоплавкого металла, скажем меди, то получится пастообразная, однородная на вид масса - амальгама. Ей, естественно, легко придать некую форму. А дальше происходит самое интересное: пастообразная масса сама собой переходит в твердое состояние.
Причина - во взаимной диффузии: медь растворяется в ртути, атомы ртути проникают между атомами меди. Более того, ртуть химически связывается с медью, образуя различные сплавы. А плавятся они при значительно большей температуре, чем ртуть, потому-то паста и затвердевает, «схватывается».
Теперь не сложно ответить на вопрос археолога: пасту из ртути и золота (которое тоже хорошо растворяется в ртути) можно залить в любую форму. И врач, запломбировав зуб, защитил пломбу медной амальгамой.
Вполне понятно, что такие самотвердеющие при комнатной температуре пасты заманчиво применять для соединения токопроводящих деталей, особенно в тех случаях, когда не подходят пайка или сварка. Однако «схватывания» для этого недостаточно. Нужно еще прилипание, или адгезия, пасты к поверхностям соединяемых деталей. Поскольку ртуть довольно хорошо смачивает многие металлы, особенно если на них нет окисной пленки, то можно ожидать хорошей адгезии.
В стране советов такой способ соединения электропроводящих деталей впервые был применен в лаборатории динамики машин Института машиноведения АН СССР. Пастообразная смесь жидкого металла с металлическим порошком получила название «мекладин» - МЕталлический Клей ЛАборатории Динамики машИН.
Медно-галлиевый клей под микроскопом.Темные кружки - частицы меди.Снимок сделан сразу после приготовления клея.
Однако не все материалы смачиваются металлическим клеем (точнее, его жидким компонентом). Для примера назовем хотя бы керамику. К счастью, у мекладина есть свойство, довольно редко встречающееся у клеев: он увеличивается в объеме при схватывании. И когда он окажется в зазоре между деталями, одна из которых охватывает другую, то в нем возникнет внутреннее давление. Оно как' бы прижмет клей к деталям, не давая им сдвинуться друг относительно друга: получится хорошо известная машиностроителям напряженная посадка. К тому же, если в деталях есть поры, мекладин проникнет в них.
Если же предстоит склеить детали иной, не «охватывающей» конструкции, то внутреннее давление в клее можно создать искусственно, сжимая детали.
НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО РТУТЬ
Вероятно, читатель, наслышанный о вредности ртути, немало удивлен тем, что автор нахваливает «ртутный» клей. Спешим успокоить читателя: для клея ртуть применяют очень редко. Она приведена в пример лишь потому, что ртуть знают все. На самом деле жидким компонентом может быть и другой металл. В принципе можно, например, смешать расплавленную медь с вольфрамом при температуре несколько выше точки плавления меди. Однако вряд ли это разумно: слишком уж высока эта температура...
И все же ртуть не единственный металл, жидкий приневысокой температуре.Галлий плавится и затвердевает при 29,9°С, и в отличие от ртути он не ядовит. Существует весьма распространенное (и неверное!) мнение, что галлий - редкий, недоступный металл. На самом деле земная кора на 0,0015% состоит из галлия - ртути в ней в 13 раз меньше! Сейчас наша промышленность производит технический галлий в достаточном количестве. Его получают в основном как попутный продукт на алюминиевых заводах.
Жидкий галлий еще лучше, чем ртуть, смачивает многие материалы. С галлиевым клеем работают при температуре чуть выше точки плавления галлия (в дальнейшем она причислена к комнатной). При более высокой температуре работать нет смысла, поскольку диффузия в клее произойдет слишком быстро, а значит, «время жизни» его сократится. Иногда идут на некоторые усложнения и вместо галлия берут его сплавы с индием, оловом, серебром и т. д., которые плавятся при температурах, меньших 20°С.
КАК ВАЖНО БЫТЬ ВНИМАТЕЛЬНЫМ
Готовят мекладин очень просто - растирая в ступке смесь жидкого металла и порошка. Нужно именно растирать, а не смешивать, чтобы нарушить окисные пленки на крупинках металла, тогда они хорошо будут смачиваться галлием. Приготовленный клей можно хранить очень долго, если только понизить его температуру ниже точки плавления жидкого металла. Клей при этом затвердеет (не путать со «схватыванием»!). Опыт показывает, что такая путаница возможна: мекладин наносили на холодные детали, его температура падала ниже 30°С, и галлий затвердевал. Естественно, что стоило немного нагреть детали, как галлий вновь расплавлялся, и детали расклеивались. А чтобы клей схватился, его нужно не охлаждать, а нагревать.
Прежде чем нанести клей, с поверхности нужно удалить окисную пленку, иначе не будет смачивания. Вот один из простейших приемов: окисную пленку процарапывают твердым острием, смоченным галлием. Поскольку «свежая» поверхность изолирована от кислорода каплей галлия на конце острия, то окисная пленка не появляется, и металл детали, как правило, хорошо смачивается галлием.
Вода, кстати, не мешает смачиванию: галлий очень хорошо смачивает металлы и практически полностью оттесняет воду. Поэтому-то мекладином можно склеивать металлы под водой.
Скорость диффузии, как известно, резко возрастает с повышением температуры; поэтому для сокращения времени схватывания склеенные детали нагревают. Время термообработки невелико, например, при 200°С не более 10 минут.
КЛЕЙ ИЛИ НЕ КЛЕЙ?
Тот же клей спустя 20 мину т60. Начинается процесс диффузии.Структура затвердевшего мед-но-галлиевого клея
И в самом деле, почему металлический сплав столь упорно называют клеем? Если клеями считать только органические клеи, то вопрос правомерен. Но правильна ли такая предпосылка?
Было время, когда клеями считались лишь вещества растительного и животного происхождения. Не столь давно появились и быстро заняли ведущее положение органические синтетические клеи. Очевидно, настало время еще более расширить рамки понятия «клей», включив в него и клеи металлические.
Процессы, идущие в металлическом клее во время схватывания, химические по своей сущности. А пайка и сварка основаны на физических превращениях (плавление - затвердевание). Более того, палные и сварные соединения не могут выдержать температур, превышающих температуру пайки или сварки; мекладин же после схватывания можно нагревать до тысячи с лишним градусов.
А теперь - несколько слов о небольшой хитрости, придуманной при «крещении» этого способа. Человеческий ум в большей или меньшей степени находится в плену опыта, приобретенных знаний; нередко зто
направляет нашу деятельность по пробитой колее, даже если изменились условия (например, появился новый способ соединения деталей). В лучшем случае это приводит к ограничению возможностей нового. В худшем - когда новое применяется в старых, непригодных для него условиях - к опорочиванию этого нового. И вот для того, чтобы этого не произошло, смесь галлия с порошком металла решили назвать не «холодным припоем», а металлическим клеем. Тогда «по колее» не пойдут ни специалисты по пайке, ни специалисты по клею - ведь клей-то не обычный, а металлический!
Соберем вместе положительные свойства металлических клеев: хорошая электропроводность и теплопроводность, высокие, порядка 1000°С, эксплуатационные температуры, способность увеличиваться в объеме при схватывании, отсутствие коробления деталей (что случается при пайке и сварке).
Естественно, что металлические клеи не идеальны. Например, они могут понижать прочность склеиваемых деталей, причем иногда катастрофически. Это вызвано тем, что жидкие металлы, входящие в состав клея, поверхностноактивны. Может случиться так, что, попав в микротрещину, они быстро углубят и расширят ее - и разрушение неизбежно.
Но не нужно думать, что мекладин создан для замены всех прочих клеев. Просто в некоторых случаях его можно использовать там, где неприемлемы известные способы - обычное склеивание, сварка или пайка. Нужно лишь выбрать способ, в данных условиях лучший.
Ь заключение автор хочет обратиться к создателям новых клеев: пожалуйста, не вынуждайте нас коверкать русский язык! Разве плохи слова - «капрон», «лавсан»? А как быть с такими клеями, как «РРЭ-2», «1235-ПЗ-6789» (попробуй еще разберись, то ли «пэ-зэ», то ли «пэ-три»...). Как их запомнить? Как употребить, например, в творительном падеже? Если вы смогли изобрести новый клей, то неужели не сможете изобрести для него благозвучное название?
Кандидат технических наук И И. СМЫСЛОВ