РАСПЛАВЫ
4 • 2008
УДК 669.715-154
© 2008 г. М. А. Витюнин, О. А. Чикова, В. П. Ченцов, Э. А. Пастухов КИНЕТИКА РАСТЕКАНИЯ РАСПЛАВОВ Al-Si ПО СТАЛИ Ст3
Методом лежащей капли измерены временные и температурные зависимости угла смачивания и диаметра пятна смоченной поверхности при растекании расплавов Al-Si с содержанием кремния 1, 2, 12, 14 и 20 ат.% по стали Ст3 в интервале температур от 700 до 1200°С. Обнаружена корреляция температурно-концентрационных характеристик кинетики растекания и структурного состояния расплавов Al-Si.
Постановка задачи исследования. Основным препятствием для получения требуемых эксплуатационных свойств соединений алюминия с железом и сталями является образование в зоне контакта соединяемых материалов прослойки алюминидов железа, которые плохо смачиваются жидким алюминием [1, 2]. На капиллярные свойства алюминия при его взаимодействии с железом и сталями положительно влияет легирование кремнием [3-7]. Присутствие кремния в алюминиевых припоях при пайке железа и стали тормозит дендритный рост интерметаллидной фазы вследствие образования тройного интерметаллида и изменения характера диффузии алюминия и железа на межфазной границе. А.А. Чуларисом, Г.В. Чумаченко и М.М. Михайловой в качестве алю-мокремниевых припоев по отношению к стали Ст3 были исследованы сплавы эвтектического состава АЛ2 и СИЛ 0 (содержание кремния 11-13%) [4, 5]. В результате проведенных экспериментов установлено, что эти сплавы в условиях пайки хорошо смачивают сталь (конечные краевые углы смачивания не превышают 40 град) при ограниченном растекании. Проведены также структурные исследования переходного слоя, и установлен механизм его формирования. Обнаружено изменение структуры и характера формирования переходной зоны на границе взаимодействия фаз, что приводит к значительному улучшению капиллярных свойств алюмокремниевых припоев по сравнению с чистым алюминием. Авторы [4, 5] считают, что количество примесей в исследованных припоях(суммарное содержание примесей не более 2.1% в АЛ2 и 0.76% в СИЛ 0) оказало существенное влияние на температуры стадий смачивания и растекания, но последовательность стадий не нарушило. Данные о растекании сплавов системы Al-Si, синтезированных из чистых компонентов, по стали Ст3 на момент начала данного исследования в литературе отсутствовали.
Цель настоящей работы - изучение кинетики растекания расплавов Al-Si по стали Ст3 в широком температурно-концентрационном интервале. Задача работы - выяснение влияния концентрации кремния и температуры расплава на результат смачивания. Авторы провели измерение температурных и временных зависимостей угла смачивания и диаметра пятна смоченной поверхности при растекании расплавов Al-(1-20) ат. % Si по стали Ст3 в условиях раздельного нагрева расплава и подложки. Сплавы Al-Si были предварительно синтезированы в лабораторных условиях из компонентов высокой степени чистоты - алюминия марки А999 и кремния полупроводниковой чистоты. Выше указано, что наличие примесей существенно влияет на процессы взаимодействия жидкой и твердой фаз и определяет величины конечных краевых углов смачивания.
Методика эксперимента. Угол смачивания и диаметр пятна смоченной поверхности измеряли методом лежащей капли. Поскольку расплавы алюминия обладают большим сродством к кислороду и даже небольшие концентрации их приводят к сильно различающимся результатам, то в первую очередь внимание было уделено модернизации
экспериментальной установки для получения надежных результатов. Навеску сплава помещали в графитовый контейнер дозатора, установленного таким образом, чтобы обеспечить раздельный нагрев подложки и исследуемого сплава. Эксперименты проводили в вакууме 1 ■ 10-3 Па. В качестве подложек использовали пластины низкоуглеродистой стали Ст3. Стальные пластины перед опытом шлифовали до зеркального блеска и протирали спиртом. Образцами для опытов служили сплавы Al-Si с содержанием кремния 1, 2, 12, 14 и 20 ат. %. Образец нагревался до температуры 700°С и выдавливался на подложку. Измерения углов смачивания и диаметров растекания проводили в интервале температур 700-1200°С с выдержкой при каждой температуре в течение 20 мин. С интервалом времени 1 мин производили съемку изображения капли цифровой фотокамерой с копированием изображения на компьютер. Угол смачивания и диаметр смоченной поверхности определяли с помощью программы анализа изображений SIAMS 600. По воспроизводимости большого числа обмеров ошибка определения краевого угла 0 не превышает 3%.
Результаты эксперимента и их обсуждение. Временные зависимости угла смачивания расплавами Al-Si стали Ст3 представлены на рис. 1. На рис. 2. показаны температурные зависимости конечного угла смачивания (выдержка при каждой температуре в течение 20 мин). Экспериментально установлено, что расплавы (ат. %) Al-12 Si, Al-14 Si, Al-Si смачивают сталь Ст3 лучше (конечные краевые углы смачивания не превышают 30-40 град при нагреве до 800°С), чем расплавы Al-1 Si, Al-2 Si (конечные краевые углы смачивания не превышают 30-40 град при нагреве до 1000°С). Обнаружен аномальный рост с течением времени угла смачивания расплавом Al-12 ат. % Si подложки при 1000 и 1100°С. Тенденции аномального повышения угла смачивания с течением времени имеют место при указанных температурах и для других составов, но они значительно менее выражены. Известно [5], что железо резко снижает жидкотеку-честь и повышает поверхностное натяжение силуминов даже при содержании в расплаве в количестве сотых долей процента. По мере увеличения концентрации железа в расплаве в результате процессов растворения и диффузии данное обстоятельство приводит к аномальному повышению краевого угла. Для расплавов, содержащих 12 и 14 ат. % Si, характерна наиболее низкая температура начала смачивания - при 800°С контактный угол составляет 30-40 град (рис. 2). Для остальных расплавов указанные значения конечных контактных углов достигаются уже при нагреве до 1000°С. Данный экспериментальный факт подтверждает известную закономерность, что эвтектические сплавы обладают в соответствующих системах наиболее высокими смачивающей способностью и растекаемостью [4, 5].
Временные зависимости диаметра пятна смоченной поверхности D при растекании расплавов Al-Si по стали Ст3 представлены на рис. 3. На рис. 4 показаны температурные зависимости конечного диаметра пятна смоченной поверхности D (выдержка при каждой температуре в течение 20 мин). Анализ экспериментальных результатов, представленных на рис. 3 и 4, показывает, что процесс растекания расплавов Al-Si по подложкам из низкоуглеродистой стали Ст3 имеет сложную кинетику. Все изученные в настоящей работе расплавы на подложках из стали Ст3 растекались ограниченно. В каждом эксперименте зафиксирована смена режима растекания металлической жидкости, обусловленная взаимодействием расплава и подложки. Растекание всех исследованных авторами расплавов начиналось с появления по периметру капли ореола в виде тонкой пленки. Авторы предполагают, что пленка образована из адсорбированных атомов алюминия и появляется в результате превышения скорости поверхностной диффузии алюминия по сравнению со скоростью растекания расплава. Фактически дальнейшее растекание идет по этой пленке.
Впервые подобное явление наблюдали В.Н. Еременко, Н.Д. Лесник [6, 7] при исследовании кинетики растекания алюминия по железу в интервале температур 700-900°С
Al-1 aT.%Si 5 s88°C «900 а 1888 • 1188 ■ 1288
t *
J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
128 -
188 * *
« 88 а & 68 48 ■ • •
28
®
128 188 88 68 48 28
Al-2 aT.%Si
г «<««»«« ,
о о о о о в
* 788°C ® 888 988 1888 1188 1288
_1_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
8 2 4 6 8 18121416 18 28 22 t, мин
8' 2 4 6 8 18 12 14 16 18 28 22 t, мин
188 88
« 68 &
® 48
28
Al-12 aT.%Si -а***!:**!«***«:******** * 888°C
188 88
Al-14 aT.%Si
-О о « O o 0 <
О ° о 2 о 2 .
988 1888 • 1188 „ А ■ 1288 68
• А 0 ■
t: •1:»•»««»• •«:»:.
j_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i
®
48 28
я 788°C 888 988 1888 • 1188
* ««<г*х**<*«*<«к«***
se
(((«По«01«»
•21
о 9 £ й
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
8 2 4 6 8 18 12 14 16 18 28 22 t, мин
188
88
8 2 4 6 8 18 12 14 16 18 28 22 t, мин
&
® 48
28
Al-28 ат.%^ 888
988
_ 1888
-* Я • 1188
9 9 * % ¥ Ц «
▲ . А ± А А А А
...... .....
2 4 6 8 18 12 14 16 18 28 22 t, мин
Рис. 1. Временные зависимости угла смачивания расплавами Al-Si стали Ст3.
(для исследования применяли алюминий марки АВ-000, содержащий 99.99% алюминия, и армко-железо). Пленка вокруг капли расплава алюминия, распространяющаяся по поверхности железа, образовывалась при 700-750oС. Повышение температуры способствовало увеличению, как скорости растекания, так и скорости поверхностной диффузии атомов алюминия. При достижении 800-900° С эти скорости становились одинаковыми, ореол вокруг капли уже не наблюдался и растекание фактически прекращалось [6, 7]. Наряду с этим протекает направленная диффузия алюминия в объеме подложки из стали Ст3 (под каплей). В результате этого образуется слой промежуточных фаз и изменяются свойства расплава.
Вследствие изменения свойств расплава изменяется и кинетика растекания. Характер указанных процессов зависит от стадии растекания. В.Н. Еременко, Н.Д. Лесник [6,
100 90 80 70 60
н а
& 50 ®
40 30 20 10 0
4-
□ о
□ Al-1 ат.%^ о Al-2 ат.%^ A Al-12 ат.%^ • Al-14 ат.%Si ■ Al-20 ат.%Si
о А
700
800
900
1000
1100
T, C
Рис. 2. Конечные углы смачивания расплавами Al-Si стали Ст3.
7] при изучении кинетики растекания жидкого алюминия и расплавов Al-Si по стали выделяют начальную стадию растекания (от момента приведения в контакт), основную стадию процесса (спустя 2 сек от момента приведения в контакт) и отмечают, что стабилизация контактного угла наблюдается в течение 25 мин. Эксперименты, проведенные авторами настоящей работы, относятся к основной стадии растекания. Как показано авторами [6, 7], на основной стадии растекания малые добавки кремния как в алюминий (2.1%), так и в железо (1%) увеличивают, а большие количества уменьшают скорость растекания. Таким образом, скорость изменения диаметра пятна смоченной поверхности зависит от соот
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.