РАСПЛА ВЫ
2 • 2008
УДК 546,65'62-143:543.58:532.6
© 2008 г. © В. В. Торокин, С. А. Бибанаева, В. Г. Шевченко, В. И. Кононенко
ВЛИЯНИЕ МАЛЫХ ДОБАВОК ЦЕРИЕВОГО МИШМЕТАЛЛА НА ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ АЛЮМИНИЕВЫХ
СПЛАВОВ Д16 И АМГ6
Изучается влияние легирования РЗ металлами на поверхностные свойства технических сплавов алюминия. В качестве основы жидкофазной прослойки использовались сплавы АМгб и Д16, в качестве легирующей добавки - цериевый мишме-талл. На основе исследований построены зависимости и сделаны выводы.
Одной из актуальных в современной физико-химической науке является проблема поверхности. Центральная задача этой проблемы - установление основных закономерностей изменения структуры, состава, свойств свободных поверхностей и поверхностей раздела, специфики процессов, протекающих в них, а также взаимосвязи поверхностных свойств со свойствами объемных фаз [1-4]. Велика роль поверхности при решении таких вопросов, как спекание и кристаллизации, сварка и пайка и многих других проблем, связанных с развитием современного машиностроения - отрасли, максимально впитывающей передовые достижения материаловедения [5, 6].
Видное место в интенсификации производства занимают новые материалы, прогрессивное оборудование, приводящее к ускорению производственных процессов. Для создания научных основ получения новых материалов необходимо знание процессов, происходящих как в пределах гомогенных фаз, так и на межфазных границах твердое - жидкое, жидкое - газ, твердое - газ. Причем в большинстве случаев процессы, происходящие на этих границах, определяют свойства всего материала в целом [2, 6].
Результаты исследования поверхностных свойств жидких металлов и сплавов представляют собой большой практический интерес, например, при разработке оптимальных составов материалов и порошков различного назначения. Все более широкое применение находят сплавы алюминия, легированные РЗМ. Известно, что даже небольшие добавки РЗМ повышают прочностные характеристики алюминия.
В последние годы оформилось новое научное направление физической химии, изучающее физику, химию и механику поверхности, охватывающее все вопросы изучения свойств на межфазных границах от изучения электронной структуры и физико-механических свойств элементов и их соединений до определения служебных характеристик готовых изделий [1].
К настоящему времени накоплены экспериментальные данные по поверхностным свойствам большинства чистых металлов и почти 200 бинарных систем [7]. Ведущая роль в их обобщении и развитии теоретических, экспериментальных и прикладных аспектов физикохимии поверхности металлических расплавов принадлежит советским ученым В.К. Семенченко, С.И. Попелю, В.Н. Еременко, С.Н. Задумкину, А.И. Русанову, Н.А. Ватолину, Ю.В. Найдичу и многим другим [8-16]. Результаты этих работ важны как для понимания природы переходных слоев металлических расплавов, так и для решения многих технических задач.
Необходимо отметить крайне недостаточное количество работ, посвященное изучению физико-химических свойств редкоземельных и рассеянных элементов и их
Мишметалл, мае. %
Рис. 1. Завиеимоеть поверхноетного натяжения еплавов Д16 (а) и АМГ6 (б) от концентрации цериевого мишметалла при 680°C.
еплавов е наиболее широко применяющимиея в технике металлами (алюминием и его еплавами). К этим евойетвам еледует отнеети поверхноетную энергию, давление паров, изменение объема при еплавообразовании, межфазное взаимодейетвие на границах металличееких раеплавов е тугоплавкими еоединениями и т.д.
Имеющиеея в литературе данные различных иееледователей для РЗМ и их еплавов зачаетую находятея в противоречии между еобой. Объяенение этому еледует ие-кать как в технологичееких трудноетях получения РЗМ выеокой етепени чиетоты, в результате чего различные иееледователи работают в неадекватных уеловиях, так и в еложноети измерения их физико-химичееких евойетв ввиду их значительной хими-чеекой активноети оеобенно при выеокой температуре [15-18].
Наетоящая работа поевящена изучению влияния легирования РЗ металлами на поверхноетные евойетва техничееких еплавов алюминия. В качеетве оеновы жидко-фазной проелойки иепользовалиеь еплавы АМг6 и Д16, в качеетве легирующей добавки - цериевый мишметалл. При определении поверхноетного натяжения в наето-ящей работе было отдано предпочтение методу "большой" капли в евязи е проетотой его оеущеетвления. Кроме того, метод позволяет надежно герметизировать рабочее проетранетво печи. Температурные пределы определения поверхноетного натяжения для еплавов изучаемых еиетем еоетавили от 680 до 1020°C. Концентрации РЗМ в еплавах алюминия изменялаеь от 1.5 до 2.5 мае. %.
При проведении экепериментов методом "большой" капли иепользовали подложки из алунда. Образец уетанавливали на подложку и помещали на "етолик" уетановки и производили нагрев до температуры экеперимента, полученная капля фотографи-ровалаеь и заноеилаеь в базу данных. Поеле проведения экеперимента раеечитывали значения поверхноетного натяжения. По результатам экепериментальных данных были поетроены завиеимоети (рие. 1). Схема экепериментальной уетановки приведена на рие. 2.
Изображение лежащей капли получаетея е помощью видеокамеры. В общем елу-чае такое изображение получаетея е помощью оптичеекой еиетемы, телевизионной камеры и еоответетвующего цифрового видеопроцеееора, преобразующего аналоговое изображение телекамеры в цифровое, в дальнейшем запиеываемое в память компьютера. Программа математичеекой обработки изображения (Drop 2.1) елужит для полной замены фототехнологии и ручного измерения контура капли при проведении экеперимента. Изображение капли проецируетея через кварцевое окно на ПЗС-мат-рицу цифровой видеокамеры. Камера еоединена е входом платы захвата и анализа видеоизображения, уетановленной внутри компьютера.
Влияние малых добавок цериевого мишметалла на поверхностное натяжение
83
Камера
ШБ
Вывод результатов эксперимента
объект
П. О. Бгор 2.1
ЭВМ
База данных
Резервная база данных по всем проведенным экспериментам
Рис. 2. Схема установки для измерения поверхностного натяжения.
Полученные в работе экспериментальные данные по поверхностному натяжению жидких РЗМ после обработки по методу наименьших квадратов с доверительной погрешностью 0.95 описываются в исследованных температурных интервалах по уравнению
О = Опл + (Т - Гпл),
где опл и Тпл - поверхностное натяжение и температура в точке плавления. Приводим значения величины опл:
Легирующяая добавка, % Поверхностное натяжение, мН/м
Сплав АМгб, Т = 680°С
1.5
2.0 2.5
1.5
2.0 2.5
Сплав Д16, Т = 680°С
798 795 790
860 852 847
Выводы. 1. Получены данные о поверхностном натяжении алюминиевых сплавов АМГ6 И Д16, легированных цериевым мишметаллом при температуре 680°С. 2. Построены графики зависимости поверхностного натяжения сплавов АМГ6 и Д16 от концентрации цериевого мишметалла при 680°С (рис. 1). 3. Приведены экспериментальные данные поверхностного натяжения с малыми добавками легирующего ком-
понента. Видно, что по мере увеличения содержания цериевого мишметалла в сплаве поверхностное натяжение уменьшается незначительно для сплава АМГ6 и достаточно заметно уменьшается для сплава Д16. 4. Для подтверждения результатов есть необходимость проведения экспериментов с увеличением добавки цериевого мишметалла в технических сплавах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Бродова И.Г., Попель С.П., Барбин Н.М., Ватолин Н.А. Исходные расплавы как основа формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов. -Екатеринбург: УрО РАН, 2005, с. 369.
2. Спицын В.И. Неорганическая химия, современное состояние и перспективы развития. -В кн.: XI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии; пленарные доклады. - М.: Наука, 1977, с. 195-215.
3.Жаворонков Н.М. Роль химии и химической технологии в материально-техническом прогрессе. - Журнал ВХО им. Менделеева, 1982, < 2, с. 198-214.
4. Тананаев И.В. Современные проблемы физико-химического анализа. - В кн.: XII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии; рефераты докладов и сообщений. - М.: Наука, 1981, с. 141.
5. Редакционная Академия Наук СССР. - Поверхность, 1982, < 12, с. 1-6.
6.КопецкийЧ.В., Вяткин А.Ф. О некоторых направлениях развития современного материаловедения - Вестн. АН СССР, 1982, < 1, с. 47-56.
7.Ниженко В.И., Флока Л.И. Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов. -М.: Металлургия, 1981, с. 208.
8. СеменченкоВ.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. - М.: Гостехтеориз-дат, 1957, с. 491.
9. П о п е л ь С.И. Теория металлургических процессов. Итоги науки и техники. - М.: ВИНИТИ, 1971, с. 132.
10. Еременко В.Н. Поверхностное натяжение жидких металлов. - Укр. хим. журнал, 1962, 28, вып. 4, с. 427-440.
11. Задумкин С.Н. Современные теории поверхностных энергий чистых металлов. - В кн.: Поверхностные явления в расплавах и возникающих из них твердых фазах.- Нальчик: Ка-бард.-Балкар. кн. изд-во, 1965, с. 12-29.
12. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. - Л.: Химия, 1967, с. 388.
13. Ватолин Н.А. Металлические расплавы. Состояние исследований. - Вестн. АН СССР, 1983, < 8, с. 62-73.
14. Найдич Ю.В., Перевертайло В.М. О поверхностной активности минимумов на изотерме поверхностное натяжение - состав. - В кн.: Физическая химия поверхности сплавов.-Тбилиси: Мецниерба, 1977, с. 23-30.
15. Яценко С.П. Исследования в области химии и термодинамики соединений галлия в водных растворах с сплавах: Автореф. дис. ... докт. хим. наук. - Киев: Ин-т материаловедения, 1969, с. 38.
16. Кононенко В.И. Физико-химические исследования свойств сплавов на основе некоторых переходных металлов: Автореф. дис. ... докт. хим. наук.- Киев: Киев. политехн. ун-т, 1973, с. 28.
17. Савицкий Е.М., Терехова В.Ф. Металловедение редкоземельных металлов. - М.: Наука, 1975, с. 272.
18. Спеддинг Ф., ДаанА. Редкоземельные металлы. - М.: Металлургия, 1965, с. 808.
Институт химии твердого тела
УрО РАН
Екатеринбург
Поступила в редакцию 10 октября 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.