Vismut–indium
Elementen vismut och indium har relativt låga smältpunkter jämfört med andra metaller, och deras legering vismut-indium (Bi-In) klassificeras som en smältbar legering . Den har en smältpunkt som är lägre än den eutektiska punkten för tenn-blylegeringen. Den vanligaste användningen av Bi-In-legeringen är som lågtemperaturlod, som förutom vismut och indium även kan innehålla bly , kadmium och tenn .
Metaller
Vismut
Vismut har många unika egenskaper. Vid stelning expanderar vismuts volym med ungefär 2,32 %. [ citat behövs ] Dess elektriska motstånd är dubbelt så högt i fast tillstånd än i flytande form. Vismut har en av de lägsta värmeledningsförmågan av rena elementära metaller. Den är ömtålig, mycket diamagnetisk och den har en magnetisk känslighet på −1,68×10 −5 mks. Vismut används som katalysator vid tillverkning av plast och kosmetika, som tillsats i stållegeringar och i elektronik . Den har en romboedrisk (Biα) struktur, med en atomradie på 1,54 Å, elektronegativitet på 1,83 och valens på +3 och +5.
Indium
Indium är en metall som är mjukare än bly ( hårdhet 0,9 HB), vilket gör att den kan repas av en spik. Den är också formbar, formbar och har ett värde för värmeledningsförmåga på 0,78 W/m°C (85 °C). Den har också kapacitet att väta glas, kvarts och andra keramiska material. Den bibehåller plasticiteten och duktiliteten när den utsätts för kryogena miljöer och har ett stort gap mellan smältpunkten och kokpunkten (156,6 °C respektive 2080 °C). Under kompression har den hög plasticitet som tillåter nästan obegränsad deformation (2,14 MPa kompressionsmotstånd) och under drag har den låg töjning (4 MPa draghållfasthet). Indium används i dentala legeringar, halvledarkomponenter, kärnreaktorpaneler, natriumlampor, förstärkningsfaktor i blybaserade svetsar och svetsar med låg smälttemperatur. Metallen har en kroppscentrerad tetragonal struktur, atomradie på 1,63 Å, elektronegativitet på 1,81 och valens på +3 eller +5, vilket är den trivalenta desto vanligare.
Vanliga sammansättningar av legeringar
Den vanligaste användningen av denna legering är som ett lod , med sammansättningen av 95 viktprocent In och 5 viktprocent Bi. Likviduslinjen , och soliduslinjen vid 398 K (125 °C; 257 °F), vilket är den första fasta fasen som bildas under kylningsprocessen i , med Bi som en substitutionell fast lösning .
Med ett mindre applikationsområde, på grund av svårigheter vid syntesprocessen, består legeringen av 33 viktprocent In och 67 viktprocent Bi. Denna legering har en eutektisk temperatur på 382 K (109 °C; 228,2 °F). Beständigheten mot termisk utmattning av detta material är högre, men mängden slagg jämfört med legeringen mellan tenn och bly.
Det finns på marknaden ett lod som består av 49 viktprocent Bi, 21 viktprocent In, 18 viktprocent Pb och 12 viktprocent Sn, som kallas kommersiellt lod 136. Denna legering har en densitet på 8,58 g/cm 3 , draghållfasthet på 43 MPa, seghet på 14HB, eutektisk temperatur på 331 K (58 °C; 136,4 °F), termisk expansionskoefficient på 12,8×10 −6 / K . Den är van vid delar där precision är nödvändig, som vid inspektioner, och smältbara kärnor till vaxmönster.
En annan legering som också finns på marknaden är lodet 117, sammansatt av 44,7 vikt-% Bi, 22,60 vikt-% Pb, 19 vikt-% In, 8,30 vikt-% Sn och 5,30 vikt-% Cd. Densiteten för denna legering är 8,86 g/cm3 , draghållfasthet 37 MPa, seghet 12HB, eutektisk temperatur på 320 K (47 °C; 116,6 °F). Den används också till delar på inspektionsutrustning, spindlar för bearbetning (polering), formar för utveckling av proteser och dentala formar.
Andra kommersiellt framställda kompositioner inkluderar
- Löd 174: 26 viktprocent In, 17 viktprocent Sn och 57 viktprocent Bi, vilket ger en eutektisk temperatur på 352 K (79 °C; 174,2 °F).
- 32,5 viktprocent Bi, 16,5 viktprocent Sn och 51 viktprocent In, vilket ger en eutektisk temperatur på 333 K (60 °C; 140 °F).
- 48 viktprocent Bi, 25,63 viktprocent Pb, 12,77 viktprocent Sn, 9,6 viktprocent Cd och 4 viktprocent In ger en vätsketemperatur på 338 K (65 °C; 149 °F) och en solidus temperatur på 334 K (61 °C; 141,8 °F).
- Varje elements inflytande
- Antimon ökar styrkan utan att påverka vätbarheten.
- Vismut förbättrar lödningens vätbarhet avsevärt. När sammansättningen är mer än 47 % Bi, kommer legeringen att expandera vid kylning.
- Kadmium oxiderar snabbt, vilket resulterar i matning och långsam lödning. Det förbättrar legeringarnas mekaniska egenskaper.
- Indium sänker smältpunkten med en hastighet av 1,45 °C per 1 viktprocent tillsatt In. Det oxiderar lätt, möjliggör lödning för kryogena applikationer och tillåter lödning av icke-metaller. Det underlättar tillverkningsprocessen om man jämför med Bi.
- Bly , i närvaro av In, bildar en förening som har en fasförändring vid 387 K (114 °C; 237,20 °F).
Fasdiagram och löslighet
Tre intermetalliska faser finns vid rumstemperatur i Bi-In-systemet: BiIn, Bi 3 In 5 och BiIn 2 . Ovanför rumstemperaturen finns en annan fas som heter ε.
Lösligheten för de grundläggande elementen är 0–0,005 viktprocent In i Bi-undergittret och ~0–14 viktprocent Bi i In-ställena. Dessa värden kan förklaras av Hume-Rothery-reglerna , där den kristallina strukturen måste vara densamma, atomradien måste skilja sig 15 % eller mindre, valensen måste vara densamma och elektronegativiteten för de två komponenterna måste vara lika .
| Parameter | Bi (α) | I |
|---|---|---|
| Kristallstruktur | Rhombohedral | Kroppscentrerad tetragonal |
| Atomradie (Å) | 1,54 | 1,63 |
| Elektronnegativitet | 1,83 | 1,81 |
| Valens | 3.5 | 3 |
Huvudpunkter på jämviktsdiagrammet.
När de två elementen blandas samman, presenterar legeringen mellan Bi och In tre eutektiska punkter, som är:
| vikt% av In | vikt-% av Bi | T (K) | T (°C) | T (°F) | Faser bildas vid kylning |
|---|---|---|---|---|---|
| 32.6 | 67,4 | 382,7 | 109,7 | 229,46 | Bi(a) och BiIn |
| 49 | 51 | 361,7 | 88,7 | 191,66 | Bi 3 In 5 och BiIn 2 |
| 66,7 | 33.3 | 345,7 | 72,7 | 162,86 | BiIn 2 och ε |
När de kyls från smältan bildar Bi-In-legeringar lamellstrukturer. Det finns en eutektoidpunkt på diagrammet, vid 83 vikt% av In. Den eutektoida temperaturen är 322 K (49 °C; 120,20 °F). I kylningsprocessen kommer fasen ε att bilda BiIn 2 och In. I den peritetiska punkten, med sammansättningen av 86 viktprocent In, kommer vätskan och de redan bildade In( s) att resultera i fasen e. Det finns tre intermetalliska faser som bildas i jämvikten:
- BiIn (från 00005 till 35,4 viktprocent In), med en tetragonal struktur och 2 atomer per cellenhet.
- Bi 3 In 5 (från 47,5 till 97,97 viktprocent In), med en tetragonal struktur och 4 atomer per cellenhet.
- BiIn 2 (från 52,5 till 53,5 viktprocent In), med en hexagonal struktur med 2 atomer per cellenhet.
Det finns regioner på diagrammet som var termodynamiskt bestämda på grund av att bildningsprocessen tar för mycket tid eller svårigheter med att visualisera fasen.
Det lägsta fusionsvärdet observeras vid 345,7 K (72,7 °C; 162,86 °F) och 66,7 viktprocent In. I en kylningsprocess är faserna som kommer att bildas BiIn 2 och ε. Det finns också en metastabil fas BiIn3, som förekommer vid 62 viktprocent In.
Allmänna överväganden
Smältbara legeringar uppvisar en utfällningshärdning (åldrande), så de mekaniska egenskaperna kommer att vara beroende av smältförhållandena, stelningshastigheten, tiden sedan smältningen och de förhållanden under vilka legeringen kommer att användas. Därför är fördelarna med Bi-In-legeringen, jämfört med de traditionella baserade på Sn eller Pb, en större termisk utmattningsbeständighet och en lägre smältpunkt. Nackdelar med Bi-In-legeringar är relativt låg duktilitet och högre andel producerad slagg.
- ^ Porteous, Russ. Värmedetektorer – Funktionsprincip . firewize.com
- ^ a b c d e f g ASM-handbok; Egenskaper och urval: Icke-järnlegeringar och specialmaterial, v. 2; ASM International, USA; 1992; s. 2158–2178
- ^ a b c ASM-handbok; Egenskaper och urval: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, vol. 2; ASM International, USA; 1992; sid. 2110.
- ^ a b c d ASM-handbok; Legeringsfasdiagram; v. 3; ASM International, USA; 1992, s. 491–492.
- ^ a b c d e ASM-handbok; Svetsning, lödning och lödning, v. 6; ASM International, USA; 1993; s. 2379–2380.
- ^ a b ASM-handbok; Svetsning, lödning och lödning, v. 6; ASM International, USA; 1993; s. 2415–2416.
- ^ a b c d ASM-handbok; Metallografi och mikrostrukturer, v. 9; ASM International, USA; 2004; s. 68–73