РАСПЛАВЫ
6 • 2008
УДК 669.715-154
© 2008 г. М. А. Витюнин, О. А. Чикова, В. П. Ченцов, Э. А. Пастухов
КИНЕТИКА РАСТЕКАНИЯ РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
ПО СТАЛИ Ст3
Методом лежащей капли измерены температурные и временные зависимости угла смачивания и диаметра пятна растекания расплавов АЛ852, АЛ5М, АЛ9, 7075 по стали Ст3.
Постановка задачи исследования. Проблема долговременной защиты стальных конструкций и изделий от коррозии в течение всего срока службы имеет достаточно актуальное значение. Это связано с большими прямыми и косвенными экономическими потерями от коррозии. Анализ результатов ускоренных и натурных коррозионных испытаний образцов с алюминиевыми и цинковыми покрытиями, проведенных отечественными и зарубежными специалистами, выявил высокую коррозионную стойкость алюминиевых покрытий в большинстве агрессивных сред. Алюминиевые покрытия, нанесенные погружением в расплав, по коррозионной стойкости превосходят аналогичные цинковые в 2-3 раза в промышленной атмосфере, в 3-5 раз в условиях добычи нефти и газа, в 4-7 раз в условиях сельскохозяйственного производства, в 9-11 раз в морской атмосфере и при воздействии морской воды. Разработана экологически чистая, высокопроизводительная технология и оборудование для нанесения коррозионностойких алюминиевых покрытий на стальную проволоку [1]. Формирование алюминиевого покрытия осуществляется при контактном взаимодействии жидкой фазы - алюминий, с твердой фазой - поверхностью стали. При погружении стального изделия в алюминиевый расплав в результате протекания химических реакций и процессов взаимной диффузии атомов алюминия и железа на контактной поверхности образуется прослойка интерметаллических соединений. В дальнейшем взаимная диффузия замедляется и осуществляется уже через образовавшийся слой. Получаемые покрытия имеют сложное строение. При горячем алюми-нировании на поверхности стали формируется диффузионный слой, состоящий в основном из интерметаллических соединений РеД13 и Ре2Д15, после извлечения стального изделия из расплава в процессе охлаждения формируется поверхностный слой покрытия, состоящий из алюминия, легирующих элементов и твердого раствора железа в алюминии [1].
Различают два типа алюминиевых покрытий, наносимых на стальные изделия погружением в расплав, в том числе и на непрерывных линиях. При нанесении покрытия 1-го типа алюминиевый расплав содержит до 10% Б1, вводимого для уменьшения толщины диффузионного слоя. Это обеспечивает хорошую деформируемость основы без отслоения покрытия. Алюминиевое покрытие, содержащее кремний, также хорошо сопротивляется воздействию высоких температур (до 900°С) и агрессивных сред. При нанесении покрытия 2-го типа алюминиевый расплав содержит небольшие добавки марганца для уменьшения вредного влияния железа в покрытии. Такие покрытия имеют достаточно развитый диффузионный слой, что ограничивает возможность деформации основы. Этот тип покрытия в основном наносят на изделия и полуфабрикаты, используемые в исходном состоянии либо после незначительной деформации. Для дальнейшего совершенствования технологии алюминирования
стальных изделий, разработки новых типов алюминиевых покрытий необходимо экспериментальное изучение капиллярных свойств расплавов на основе алюминия на стали.
Цель настоящей работы - изучение кинетики смачивания и растекания расплавов ряда промышленных композиций на основе алюминия по стали Ст3 в условиях раздельного нагрева расплава и подложки. Измерены температурные и временные зависимости угла смачивания и диаметра пятна растекания расплавов АЛ852(2%Си, 0.75%^, 6.25%8п, 1.2%№), АЛ5М (4.5%Б1, 1%Си), АЛ9(9%81), 7075(1.6%Си, 2.5%^, 5.6%7п, 0.23%Сг).
Методика эксперимента. Угол смачивания и диаметр пятна растекания измеряли методом лежащей капли. 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 из низкоуглеродистой стали Ст3. Стальные пластины шлифовали до зеркального блеска и протирали спиртом. Образец нагревали до 700°С и выдавливали на подложку. Измерения углов смачивания и диаметров растекания проводили в интервале 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 81ДМ8 600. По воспроизводимости большого числа обмеров величина ошибки определения краевого угла 0 не превышала 3%.
Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение. Температурные и временные зависимости угла смачивания и диаметра пятна растекания представлены на рис. 1-4. Расплав АЛ9 начинает смачивать сталь Ст3 при 900°С - краевой угол при выдержке 10 мин меняется от 130 до 50 град при нагреве до 1000° происходит дальнейшее постепенное уменьшение краевого угла с течением времени до 30 град. Наиболее значительное увеличение диаметра пятна смоченной поверхности (25% от первоначального) наблюдается при 10-минутной выдержке при 1000°С. Расплав 7075 ведет себя аналогичным образом - начинает смачивать сталь Ст3 при 900°С - краевой угол при выдержке 16 мин меняется от 160 до 40 град, при дальнейшем нагреве образца происходит незначительное уменьшение краевого угла с течением времени до 30 град. Наиболее значительное увеличение диаметра пятна смоченной поверхности (20% от первоначального) наблюдается при 10-минутной выдержке при 1000°С. Таким образом, наилучшими капиллярными свойствами по отношению к стали Ст3 расплавы 7075 и АЛ9 обладают при температуре 900°С и временной выдержке около 10-20 мин. Расплав АЛ852 обладает лучшими капиллярными свойствами по отношению к стали Ст3 при более низкой температуре - смачивание начинается при 800°С -краевой угол при выдержке 10 мин меняется от 160 до 35 град, при дальнейшем нагреве изменение краевого угла с течением времени незначительно. Наиболее значительное увеличение диаметра пятна смоченной поверхности (70% от первоначального) наблюдается при 20-минутной выдержке, как и у расплавов АЛ9 и 7075 при температуре 1000°С. Расплав АЛ5М начинает смачивать сталь при 900°С краевой угол при выдержке 10 мин меняется от 160 до 90 град; при повышении температуры до 1000° С краевой угол в течение 6 мин уменьшается до 40 град, при дальнейшем повышении температуры уменьшение краевого угла незначительно. Диаметр пятна смоченной поверхности при растекании расплава АЛ5М по стали Ст3 с повышением температуры монотонно возрастает.
Механизм растекания расплавов на основе алюминия по стали Ст3 неоднократно обсуждался [2-4] и может быть представлен следующим образом. Разрушение окис-ной пленки алюминия приводят к установлению физического контакта между рас-
180
160
140
120
& 100 £
80 60 40 20
15 13 11 £ 9
м 3 7
5
3
1
:">*вбм«м|Н«„м
о О
Я700°С ф 800° О 900° 1000° 1100° 1200°
• • • •
▲ ▲ А ▲
А ^ • •
▲ ▲
• ° О л
• О $ • • V ■ ■■■■■■
J_I_I_I
4 6
8 10 12 14 16 18 20 г, мин
• •
• •
*700°С 800° 900° 1000° 1100° 1200°
А А А А -
ООООООоООООО
ааааааааааааал
0
180 г 140
4 6
8 10 12
г, мин
14 16 18 20
«
Р100
60
40
700
800
900
1000
1100
Т, С
14 12 10 8 6 4 2
700
800
900
1000
1100
Т, С
а
Рис. 1. Временные (а) и температурная (б) зависимости угла смачивания (а), конечного угла смачивания (•) и диаметра пятна растекания расплавов 7075 на стали Ст3.
140 120
И 70
и
® 50 30 10
I
16 14 12 , м10 8 6 4
I
160 120
« а
& 80 ®
40 0
О О О л О О
*700°С © 800° О 900° 1000° 1100°
* А А
О ▲ ▲
* А А
• •
ООО
А А А А • • • • •
_1_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 г, мин
X700°С 800° 900°
А 1000° 1100°
Я ооооооооо
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
г, мин
700
800
900
1000
Т, С
14
м 12
м 10
8
6
700
800
900
1000
Т, С
Рис. 2. Временные (а) и температурная (б) зависимости угла смачивания (а), конечного угла смачивания (•) и диаметра пятна растекания расплавов АЛ9 на стали Ст3.
а
плавом и поверхностью стали, о чем свидетельствует смачивание подложки жидким металлом. С этого момента сталь активно растворяется в расплаве. Рост температуры интенсифицирует диффузионные процессы, что приводит к развитию потоков примесных атомов в приповерхностных областях стальной подложки. При достижении критической концентрации происходит образование зародышей интерметаллид-ной фазы и их рост, нередко до слияния в сплошную прослойку. Если расплав содер-
170 160
140
а 90 р
г
© 70 50 30 10
700°С 800° 900° 1000° • 1100° 1200°
и 0
А О • ~ А Ж
"•? •••Л(В®©®®®Ф®®©®®
¥ ■ *
0 14 12 10
м8
м 3 6
4
2
0
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
г, мин
700°С 800° 900° 1000° • 1100° 1200°
А *
А А А А
А А А А
68
10 12 14 16 18 20 22
г, мин
160
д 120
а
р г 80
®
40
0
14
12
м 10
м 8
6
4
2
700
800
900
1000
1100
Т, С
700
800
900
1000
1100
Т, С
Рис. 3. Временные (а) и температурная (•) зависимости угла смачивания (а), конечного угла смачивания (•) и диаметра пятна растекания расплавов АЛ852 на стали Ст3.
а
жит кремний (например АЛ9) благодаря относительно большой растворимости кремния в железе (7.5% при 973 К), на поверхности стали и зерен образуется слой твердого раствора кремния в железе, выполняющий роль "буферной зоны" на пути
160 * Ц 1 Ф $ Ф
140 -
120 -
д а 100 _
р г - А А А
® 80 - А А
60
40 I ■ ■ ■ 4
■ ■ •
20 - • • 1 • • 1 1
0 2 4 6
* « * *
о о
* 700°С 800° 900° 1000° 1100° 1200°
I' | : м? ! : . . I I
А А А А А
10 12 14 16 18 20 22
г, мин
12
10 м ; 8
6
4
2
160 120 80 40
16 14 12
м
мм10
• •
А А А А А А А А А А А А А А А А А А А А
оооо0000 ********************
&700°С 800° 900° 1000° 1100° 1200°
4 6
10 12 14 16 18 20 22
г, мин
а1 р
700
800
900
1000
1100
Т, С
700
800
900
1000
1100
Т, С
Рис. 4. Временные (а) и температурная (•) зависимости угла смачивания (а), конечного угла смачивания (•) и
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.