РАСПЛА ВЫ
3 • 2008
УДК 669.715-154.4:661.665:66.063.5
© 2008 г. Э. А. Попова, Л. Е. Бодрова, В. П. Ченцов, А. В. Долматов, Э. А. Пастухов
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ СМАЧИВАНИЯ КАРБИДА КРЕМНИЯ АЛЮМИНИЕВЫМИ РАСПЛАВАМИ
Представлены результаты экспериментальных исследований по определению смачиваемости подложек из карбида кремния расплавами алюминия и А1-12 мас. % 81 методом лежащей капли в вакууме в интервале температур 700-1450°С. Цель -оценка условий замешивания 81С в алюминиевые расплавы при получении литых композитов А1-81-81С воздействием на расплавы низкочастотными колебаниями.
При получении литых композиционных материалов А1-81-Б1С замешиванием упрочняющей фазы в расплавы силуминов путем воздействия на них низкочастотными колебаниями оценка параметров смачивания упрочняющей фазы матричным расплавом является необходимым звеном исследований. Изучение процессов смачивания подложек из карбида кремния расплавами алюминия и А1-12 мас. % 81 проводили в вакууме (~10-4 мм рт. ст.) методом лежащей капли в интервале 700-1450°С с шагом 50 град и выдержкой на каждой температурной ступени ~5 мин. Подложки прессовали из нитевидных коротких волокон 81С с добавлением для связки 10%-ного поливинилового спирта, затем в течение 30 мин отжигали при температуре 700-800°С. Согласно рент-генофазовому анализу, волокна состоят из Р-81С кубической модификации и являются очень тонкодисперсными, о чем свидетельствует размытость линий рентгенограммы.
Как и в экспериментах по смачиваемости графита алюминиевыми расплавами [1], для освобождения расплава от оксидных пленок и формирования капли при пониженных температурах применяли контейнер раздельного нагрева расплава и подложки.
Температурные зависимости углов смачивания подложек из 81С расплавами А1 и А1-12 мас. % 81, имеющие 8-образный характер, показаны на рисунке. В интервале 1150-1350°С наблюдается область резкого уменьшения углов смачивания подложек 81С алюминиевыми расплавами. При добавлении в алюминий до 12 мас. % 81 происходит некоторое увеличение углов смачивания на 15-25 град. Начало процесса смачивания в этом случае сдвигается примерно на 150 град в область более низких температур, что соответствует сокращению инкубационного периода на 15 мин. Интересно сравнить полученные нами данные с результатами работы [2], в которой подложки из Р-81С погружали в расплавы алюминия и А1-(81, Мп, Бе, Си) при температурах 900, 1000 и 1100°С в атмосфере Аг (100 мм рт. ст.) и анализировали изменение во времени относительной площади взаимодействия (а) подложки с расплавом. Для расплава алюминия при 1000°С значение а = 1 достигается за 10 мин, для расплава А1-8 мас. % 81 - за 5 мин, при этом длительность инкубационного периода смачивания Р-81С расплавом А1-8%81 при этой температуре сокращается более, чем в десять раз (с 3.4 мин до 0.33), по сравнению с погружением 81С в расплав чистого алюминия. Существенное отличие длительности инкубационного периода, полученного в работе [2] и нашими данными, определяется различием методик проведения экспериментов.
В наших экспериментах при 1250°С прекращается дальнейшее интенсивное уменьшение угла смачивания 81С расплавом А1-12 мас. % 81, тогда как для чистого алюминия уменьшение продолжается вплоть до 1370°С и достигает 45 град по сравнению с 85 град для А1-12%81. Это можно объяснить запирающим действием кремния, концентрирую-
Изучение процессов смачивания карбида кремния алюминиевыми расплавами
11
г, °С
Температурная зависимость краевых углов смачивания подложек из 81С расплавами А1-12 мае. % 81 (1) и алюминия (2).
щегося на межфазной границе и препятствующего взаимодействию алюминия с SiC. При повышении содержания кремния в расплаве алюминия запирающее действие Si усиливается: угол смачивания карбида кремния расплавом Al-20 мас. % Si практически не изменяется вплоть до 1250°С. Подобное действие кремния в расплаве алюминия было выявлено нами ранее [1] при измерении углов смачивания подложек из графита расплавами Al и Al-12 мас. % Si. При 1200°С взаимодействие алюминия с углеродом приводило к вспучиванию капли Al в результате образования Al4C3, искажению ее формы и невозможности дальнейшего проведения эксперимента. В то же время капля Al-12%Si сохраняла свою форму, так как концентрация выделений первичного кремния на границе расплава с образовавшимся на графите слоем (Si,Al)C (выявлено микро-рентгеноспектральным анализом поперечного разреза затвердевших капель) препятствовала протеканию реакции образования карбида алюминия, что позволило провести измерения углов смачивания вплоть до 1300°С [1]. Полученные результаты не расходятся с исследованиями [3], в которых при изучении взаимодействия углеродных материалов с расплавами Al-Si в условиях вакуумной пропитки экспериментально установлено наличие карбида алюминия, сегрегаций кремния и предположительно карбида кремния на межфазной границе с углеродом.
Эксперименты по смачиванию алюминиевыми расплавами подложек SiC, проведенные нами в среде очищенного гелия, свидетельствуют о сильном влиянии газовой фазы на взаимодействие расплава с карбидом кремния. Слабая зависимость контактных углов смачивания от температуры имеет место до 1200°С и только при температурах выше 1300°С начинается их уменьшение. Без использования контейнера для раздельного нагрева расплава и подложки не удается добиться контакта расплавленного металла с SiC-подложкой из-за плотной оксидной пленки, покрывающей металл.
Различие приводимых в научной литературе значений углов смачивания SiC алюминиевыми расплавами определяется методикой и условиями проведения эксперимента, способом приготовления подложек, чистотой сплавов, температурой и длительностью контакта расплава с подложкой. Так, в работе [4] измеренный методом лежащей капли угол смачивания подложки SiC расплавом алюминия при 1080°С с увеличением
12
Э. А. Попова, Л. Е. Бодрова, В. П. Ченцов, А. В. Долматов, Э. А. Пастухов
выдержки от 0 до 35 мин постепенно уменьшался со 130 до 70 град. В работе [5] угол смачивания составил 65 град уже после 20-минутной выдержки при меньшей температуре 1000°С. Еще лучшая смачиваемость SiC алюминием достигнута в аналогичных экспериментах [6]: при 1100°С и увеличении выдержки до 90 мин угол смачивания составил 35 град.
Таким образом, можно отметить, что процессы смачивания подложек SiC алюминиевыми расплавами при низких температурах затруднены. Для предотвращения реакции карбидообразования в системе Al-Si-SiC при получении литых композитов замешиванием SiC в расплав содержание кремния в нем должно быть выше эвтектического. Для достижения хорошего смачивания при получении литых композиционных материалов представляется необходимым сосредоточить усилия по выбору добавок, которые бы позволили уменьшить угол смачивания при одновременном снижении температур и сокращении времени выдержки расплава в контакте с подложкой SiC.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 05-03-32866.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Киселев А.В., Ченцов В.П., Бодрова Л.Е. и др. Смачивание графита расплавами алюминия, алюминий-титан и алюминий-кремний. - Расплавы, 2006, < 5, с. 8-13.
2. Oki T., Choh T., Hibino A. Wettability of aluminium against SiC and effect of silicon, manganese, iron and copper. - J. Inst. Met. Japan, 1985, 49, < 12, р. 1131-1137.
3. Костиков В.И., Варенков А.Н. Композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, армированных углеродными волокнами. - М.: Интермет инжиниринг, 2000. -445 с.
4. K o h l e r W. - Aluminium, 1975, 51, S. 443.
5. Колесниченко Г.А. О смачиваемости тугоплавких ковалентных кристаллов металлическими расплавами. - В сб.: Смачиваемость и поверхностные свойства расплавов и твердых тел. - Киев: Наукова думка, 1972. - с. 71-74.
6. Н а й д и ч Ю.В. Контактные явления в металлических расплавах. - Киев: Наукова думка, 1972. - 196 с.
Институт металлургии УрО РАН Екатеринбург
Поступила в редакцию 29 ноября 2007 г.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.