РАСПЛАВЫ
5 • 2008
УДК 669.715
© 2008 г. М. А. Витюнин, О. А. Чикова, В. П. Ченцов, Э. А. Пастухов КИНЕТИКА РАСТЕКАНИЯ РАСПЛАВОВ Al-Si ПО МЕДИ
Методом лежащей капли измерены временные и температурные зависимости угла смачивания и диаметра пятна смоченной поверхности при растекании расплавов алюминия, Al-1 ат.%81 и Al-12 ат.%81 по меди.
Постановка задачи исследования. Среди большого количества способов соединения деталей из меди и сплавов на основе алюминия погружение в расплав занимает одно из первых мест как легко осуществимый и недорогой способ. При разработке технологии данного способа существенную роль играют экспериментальные данные о скорости и полноте смачивания и кинетике растекания. Растекание расплава алюминия по меди ранее изучалось Ю.В. Найдичем с сотрудн. [1]. Опыты проводились в вакууме в условиях совместного нагрева расплава и подложки. Исследования показали, что алюминий удовлетворительно смачивает медь. Исследователи обратили внимание на тот факт, что на скорость растекания алюминия по меди существенное влияние оказывает взаимное растворение фаз. В зоне взаимодействия жидкого и твердого металла образуется ряд интерметаллидных фаз, армирующих пограничный слой, что тормозит растекание алюминия по меди.
Известно, что одним из путей улучшения капиллярных свойств расплавов в системах с образованием промежуточных фаз является легирование элементами, которые задерживают или меняют направленность диффузии, замедляют или предотвращают рост интерметаллидных фаз. Для системы Си-расплавА1 одним из таких элементов является кремний. Благоприятное влияние кремния в расплаве связано с уменьшением поверхностного натяжения алюминия при легировании его кремнием [2] и образованием на границе взаимодействия интерметаллидных фаз, меняющей характер диффузии элементов.
Процесс смачивания жидкими сплавами Al-Si меди изучен недостаточно. До последнего времени нет надежных данных по полноте и скорости смачивания и по кинетике растекания. Изучение кинетических характеристик растекания - скорости растекания и смачивания - дает возможность выяснить, насколько быстро реализуется взаимодействие между контактирующими фазами, позволяет оценить время достижения равновесных и квазиравновесных состояний, что важно для научного обоснования технологических процессов. Результатам изучения данных вопросов и посвящена настоящая работа.
Методика эксперимента. Угол смачивания и диаметр пятна растекания измеряли методом лежащей капли [3]. В качестве подложек использовали пластины из меди марки В3, отшлифованные до зеркального блеска. Образцами для опытов служили сплавы Al-Si с содержанием кремния 1 и 12 ат. %, синтезированные в лабораторных условиях из компонентов повышенной степени чистоты - алюминия марки А999 и кремния полупроводниковой чистоты. Все опыты проводили при разряжении ниже 1 Па в интервале температур 700-1000°С в условиях раздельного нагрева алюминиевого расплава и подложки, капля расплава при 700°С выдавливалась из специального дозатора и под действием собственного веса падала на поверхность твердого металла. До-
А1
44 36 28
36 28 20 £12
& 4 ®
16 8 0
16
700°С 36
28
....................
800°С
• • ш Ш. та
• • • • а Рц
..................." г4
900°С
0 3 6 9 12 15 18 г, мин
20 12
52 44 36 ^ 28 С
® 56
А1-1ат.% 700°С ......... 24
16
....................
• • •
....................
40 32
1000°С 52
44 36
.............
1000°С
О 3 6 9 12 15 18 г, мин
А1-12ат.% 700°С
....................
32
800°С 24
16
.................... ЁТ О
800°С
....................
• •
....................
®
900°С 20
12 4
16
900°С
....................
......................
1000°С
Т I Т Т Т ? ?.............
О 3 6 9 12 15 18 г, мин
Рис. 1. Временные зависимости углов смачивания 0 при растекании расплавов алюминия, А1-1ат.%81 и А1-12ат.%81 по меди.
А1-1ат.% 700°С
....................
800°С
....................
24 16
24 16
А1-12ат.% 700°С
....................
800°С
....................
^24 - 900°С ч 20 - 900°С ч 20 - 900°С
16 10 12 -
.................... 1 1 1 ....... ......... 4 ....... ............
20 - 1000°С 20 1000°С 20 1000°С
12 - 10 12 -
4 ~.................... 1 1 1 ....... ......... 4 ....... ............
О 3 6 9 12 15 18 г, мин
О 3 6 9 12 15 18 г, мин
О 3 6 9 12 15 18 г, мин
Рис. 2. Временные зависимости диаметра пятна смоченной поверхности £> при растекании расплавов алюминия, А1-1ат.%81 и А1-12ат.%81 по меди.
>
Ш к н 3 м к и
О >
Л
к «
о и
Ш
Ь
Л
и И
я о и
ш >
ь
о
н ^
х о и
46 42 38 34
16
д а 12
& 8
® 4
0
32
28
А1-1ат.%^ • •
j_i_i_
А1-12ат.%^
Al
700 750 800 850 900 950 T, C
Рис. 3. Температурные зависимости конечного угла смачивания 0 (т = 20 мин) при растекании расплавов алюминия, А1-1ат.%81 и А1-12ат.%81 по меди.
затор с расплавом перед этим выдерживали в печи в течение часа. Чтобы оценить изменение краевых углов 0 со временем, контур капли фотографировали с копированием изображения на компьютер примерно через 1 мин после начала контакта расплава с подложкой и далее через каждую минуту в течение 20 мин. Достаточность такой выдержки подтверждается как выполненными ранее [2, 3], так и нашими исследованиями скоростей растекания жидких металлов по поверхности твердых. Контактный угол и радиус основания капли определяли на цифровых фотографических изображениях с помощью программы Б1аш8 600. По воспроизводимости большого числа обмеров величина ошибки определения краевого угла 0 не превышала 3%.
Результаты эксперимента и их обсуждение. Результаты измерения углов смачивания 0 и диаметра пятна смоченной поверхности Б при растекании расплавов алюминия, А1-1 ат.%Б1 и А1-12 ат.%Б1 по меди приведены на рис. 1-4. Ввиду того, что при 1000°С начиналось интенсивное взаимодействие расплава и твердого металла, временные зависимости при этой температуре были получены только при выдержке не более 10 мин. Практически во всех экспериментах с увеличением времени выдержки и температуры образца наблюдалось уменьшение контактного угла и увеличение диаметра пятна смоченной поверхности. Обнаружено, что расплав чистого алюминия и А1-12ат.%Б1 практически полностью смачивают медную подложку при нагреве образца до 800°С и выдержке при данной температуре в течение 20 мин: 0 уменьшается в первом случае от 34 до 6 град, во втором - от 14 град до 6 (рис. 1 и 2). Конечный диаметр пятна смоченной поверхности Б при этом изменяется незначительно - на 30 и 10% соответственно (рис. 4). Наиболее существенно с течением времени уменьшается диаметр пятна смоченной поверхности Б при растекании по меди расплава А1-1ат.%Б1 при 700°С -на 60 % (рис. 3).
Кинетику процесса распространения жидкого металла по поверхности твердого определяет несколько факторов [4]. Первый обусловлен действием капиллярных сил и веса; он характерен для первой стадии процесса (доли секунд). Известно, что поверхностное натяжение алюминия при легировании его кремнием уменьшается, что выражается в уменьшении абсолютных величин краевых углов (рис. 3). Добавка 1ат.%Б1 в расплав алюминия уже при 700° существенно ускоряет его растекание по меди прирост
14
М.А. Витюнин, O.A. Чикова, В.П. Ченцов, Э.А. Пастухов
16.5
15.3
14.1 12.9
19.2 18.0 16.8
15.6
14.4 16.8
14.4
12.0
9.6
Al-1aT.%Si
Al-12aT.%Si
Al
700 750 800 850 900 950 Т, С
Рис. 4. Температурные зависимости конечного диаметра пятна смоченной поверхности й (т = 20 мин) при растекании расплавов алюминия, А1-1ат.%81 и А1-12ат.%81 по меди.
диаметра пятна смоченной поверхности в этом случае составил 60% (рис. 2). Второй -вязкость металлической жидкости; если он является определяющим, говорят, что растекание осуществляется в вязком режиме. Авторами [5] в результате изучения температурных зависимостей кинематической вязкости расплавов Al-Cu с содержанием меди 0.2, 5.0, 17.0, 20.0 и 35.0 ат. % показано, что для этих расплавов при нагреве до 820850° существенно меняется характер вязкого течения. При растекании расплава алюминия по меди именно при 800°C наблюдался наиболее существенный прирост диаметра пятна смоченной поверхности - 27% (рис. 2). Третий фактор - диффузия элементов; ее превалирующее действие выражается в существенном замедлении роста конечного диаметра пятна смоченной поверхности (рис. 4). Образование на границе взаимодействия расплавов Al-Si с медью интерметаллидных фаз меняет характер диффузии элементов и кинетику растекания.
Выводы. 1. Методом лежащей капли измерены временные и температурные зависимости угла смачивания и диаметра пятна смоченной поверхности при растекании расплавов алюминия, Al-1ат.%Si и Al-12ат.%Si по меди В3. 2. Обнаружено, что расплав чистого алюминия и Al-12ат.%Si практически полностью смачивают медную подложку при 800°C: контактный угол уменьшается до 6°. Конечный диаметр пятна смоченной поверхности при этом изменяется незначительно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Н а й д и ч Ю.В., Лавриенко И.А., Рабкин Д.М., Воропай Н.М. - В кн.: Поверхностные явления в расплавах. - Киев: Наукова думка, 1968, с. 354.
2. П о п е л ь П.С. Поверхностные явления в расплавах. - М.: Металлургия, 1994. - 440 с.
3.Еременко В.Н., Лесник Н.Д., Листовничий В.Е. и др. Физическая химия взаимодействия жидких металлов с материалами. - В кн.: Физическая химия неорганических материалов. В 3-х т. / Под общей редакцией Еременко В.Н. - Киев: Наукова думка, 1988, т. 3. - 192 с.
4. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. -М.: Химия, 1976 - 232 с.
5. Лыкасов Д.К., Чикова O.A. Вязкость расплавов Al-Cu. - Расплавы, 2007, < 4, с. 35-39.
Уральский государственный Поступила в редакцию
педагогический университет 1 февраля 2008 г.
Екатеринбург
Институт металлургии
УрО РАН
Екатеринбург
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.