Адгезия расплавов и пайка материалов. Сборник научных трудов. Вып. 41
Подождите немного. Документ загружается.
Скорость контактного плавления твердых растворов с металлами
Contact melting speed of solutions with metals
Контактируемые
системы
Т
оп
,
°С
<
v
>,
мкм/с
Контактируемые
системы
Т
оп
,
°С
<
v
>,
мкм/с
1
2
3
4
5
6
PbSn
192
0,55
PbBi
134
0,21
(Pb + 0,1% (ат.) Bi)Sn
(Pb + 0,3% (ат.) Bi)Sn
(Pb + 0,5% (ат.) Bi)Sn
192
192
192
0,55
0,55
0,56
(Pb + 0,1% (ат.) Bi)Bi
(Pb + 0,3% (ат.) Bi)Bi
(Pb + 0,5% (ат.) Bi)Bi
134
134
134
0,24
0,27
0,39
(Pb + 0,1% (ат.) In)Sn
(Pb + 0,5% (ат.) In)Sn
(Pb + 1,0% (ат.) In)Sn
192
192
192
0,57
0,61
0,65
(Pb + 0,1% (ат.) In)Bi
(Pb + 0,5% (ат.) In)Bi
(Pb + 1,0% (ат.) In)Bi
134
134
134
0,26
0,28
0,31
(Pb + 0,1% (ат.) Sn)Sn
(Pb + 0,3% (ат.) Sn)Sn
(Pb + 0,5% (ат.) Sn)Sn
192
192
192
0,55
0,57
0,61
(Pb + 0,1% (ат.) Sn)Bi
(Pb + 0,3% (ат.) Sn)Bi
(Pb + 0,5% (ат.) Sn)Bi
134
134
134
0,27
0,31
0,36
(Pb + 0,1% (ат.) Li)Sn
(Pb + 0,5% (ат.) Li)Sn
192
192
0,53
0,56
(Pb + 0,1% (ат.) Li)Bi
(Pb + 0,5% (ат.) Li)Bi
134
134
0,22
0,26
(Pb + 0,01% (мас.) Ag) Sn
(Pb + 0,05% (мас.) Ag)Sn
(Pb + 0,10% (мас.) Ag)Sn
192
192
192
0,56
0,57
0,58
(Pb + 0,01% (мас.) Ag)Bi
(Pb + 0,05% (мас.) Ag)Bi
(Pb + 0,10% (мас.) Ag)Bi
192
192
192
0,22
0,23
0,26
SnIn
120
0,35
SnPb
193
0,73
(Sn + 0,1% (ат.) Pb)In
(Sn + 0,3% (ат.) Pb)In
(Sn + 0,5% (ат.) Pb)In
120
120
120
0,36
0,41
0,45
(Sn + 0,1% (ат.) In)Pb
(Sn + 0,5% (ат.) In)Pb
(Sn + 1,0% (ат.) In)Pb
193
193
193
0,73
0,78
0,83
(Sn + 0,1% (ат.) Zn)In
(Sn + 0,4% (ат.) Zn)In
120
120
0,36
0,38
(Sn – 0,1% (ат.) Zn)Pb
(Sn – 0,4% (ат.) Zn)Pb
193
193
0,74
0,78
(Sn + 0,1% (ат.) In)In
(Sn + 0,5% (ат.) In)In
(Sn + 1,0% (ат.) In)In
120
120
120
0,36
0,41
0,47
(Sn + 0,1% (ат.) Pb)Pb
(Sn + 0,3% (ат.) Pb)Pb
(Sn + 0,5% (ат.) Pb)Pb
193
193
193
0,74
0,76
0,79
(Sn + 0,1% (ат.) Bi)In
(Sn + 0,5% (ат.) Bi)In
120
120
0,37
0,45
(Sn – 0,1% (ат.) Bi)Pb
(Sn – 0,5% (ат.) Bi)Pb
193
193
0,74
0,79
SnBi
149
0,42
-
-
-
(Sn + 0,1% (ат.) In) Bi
(Sn + 1,0% (ат.) In) Bi
149
149
0,43
0,44
(Sn + 0,1% (ат.) Zn) Bi
(Sn + 0,4% (ат.) Zn) Bi
149
149
0,47
0,49
(Sn + 0,1% (ат.) Bi) Bi
(Sn + 0,5% (ат.) Bi) Bi
149
149
0,42
0,45
(Sn + 0,3% (ат.) Pb) Bi
(Sn + 0,5% (ат.) Pb) Bi
149
149
0,38
0,44
CdBi
154
0,56
CdSn
187
0,71
(Cd + 0,1% (ат.) Na)Bi
(Cd + 0,1% (ат.) Li)Bi
154
154
0,49
0,53
(Cd + 0,1% (ат.) Na)Sn
(Cd + 0,1% (ат.) Li)Sn
187
187
0,84
0,89
П р о д о л ж е н и е т а б л и ц ы
1 2 3 4 5 6
InSn
127 0,39
InBi
82
0,43
(In + 0,1% (ат.) Pb)Sn
(In + 0,5% (ат.) Pb)Sn
(In + 1,0% (ат.) Pb)Sn
127
127
127
0,40
0,41
0,45
(In + 0,1% (ат.) Pb)Bi
(In + 0,5% (ат.) Pb)Bi
(In + 1,0% (ат.) Pb)Bi
82
82
82
0,43
0,45
0,47
(In + 0,1% (ат.) Bi)Sn
(In + 0,5% (ат.) Bi)Sn
(In + 1,0% (ат.) Bi)Sn
127
127
127
0,39
0,41
0,43
(In + 0,1% (ат.) Bi)Bi
(In + 0,5% (ат.) Bi)Bi
(In + 1,0% (ат.) Bi)Bi
82
82
82
0,43
0,45
0,46
(In + 0,1% (ат.) Sn)Sn
(In + 0,5% (ат.) Sn)Sn
(In + 1,0% (ат.) Sn)Sn
127
127
127
0,39
0,40
0,41
(In + 0,1% (ат.) Sn)Bi
(In + 0,5% (ат.) Sn)Bi
(In + 1,0% (ат.) Sn)Bi
82
82
82
0,44
0,46
0,49
(In + 0,1% (ат.) Na)Sn
(In + 0,3% (ат.) Na)Sn
(In + 0,5% (ат.) Na)Sn
127
127
127
0,70
0,72
0,74
(In + 0,1% (ат.) Na)Bi
(In + 0,1% (ат.) Na)Bi
(In + 0,1% (ат.) Na)Bi
82
82
82
0,46
0,47
0,49
металлографически. Точность измерения размеров контактных прослоек
составляла ±0,01 мм. Среднюю скорость КП < v > оценивали по формуле
< v > = δ/∆τ (где δ средняя толщина контактной прослойки, ∆τ = 1 ч).
Результаты измерений и их обсуждение
Результаты измерений приведены в таблице, а фотографии микрошлифов
контактных прослоек представлены на рис. 1, 2. Из таблицы следует, что в
системе (А + Ме)В (Ме примесь) скорость слабо зависит от типа при-
меси. Например, в системе (Sn + Me)In (Me 0,1% (ат.) Pb, Zn, In, Bi)
замена одной примеси на другую той же концентрации незначительно
Рис. 1. Фотографии микрошлифов контактных прослоек системы ТР: а
Sn(Cd + Me (Na, Li)); б (Cd + Me (Na, Li))Bi, τ = 1 ч, х20
Fig. 1. Micro section of contact layers of solution system: а Sn(Cd + Me (Na,
Li)); б (Cd + Me (Na, Li))Bi, τ = 1 h, х20
а
а
б
Cd + 0,1% (ат.) Na
Cd + 0,1
% (ат.)
Li
Cd + 0,1% (ат.) Na
Cd + 0,1
% (ат.)
Li
влияет на v
кп
. Исключение составляют примеси щелочных металлов
(рис. 1, а, б). Как видно из рис. 1, замена добавки Na на Li той же
концентрации в Cd приводит к существенному росту скорости КП.
Однако увеличение концентрации примесных атомов обусловливает
повышение скорости КП <v
кп
> и изменение структуры контактной
прослойки для всех систем. На рис. 2 приведены фотографии микро-
шлифов контактных прослоек в системе (Sn + In)Bi. Видно, что при
увеличении концентрации In меняется форма дендритов и наблюдается
некоторое их упорядочение. Рентгенофазовый анализ контактных
прослоек, проведенный на установке ДРОН-6, показал, что эти дендриты
состоят из соединений Bi
3
In
5
и BiIn (рис. 3).
На рис. 4 представлена зависимость скорости КП поликристал-
лических твердых растворов с металлами <v
кп
>
от предельной раство-
Рис. 2. Фотографии
микрошлифов контакт-
ных прослоек ТР (Sn +
+ In)Bi, τ = 1 ч, х20
Fig. 2. Micro section of
contact layers of solid
solution system (Sn +
+ In)Bi, τ = 1 h, х20
Рис. 3. Рентгенограмма контактной прослойки системы (Sn + In)Bi
Fig. 3. The X-ray crystal analysis of contact layer of solid solution system (Sn + In)Bi
Sn + 1,0% (ат.) In Sn + 0,1% (ат.) In
2Θ, град
Sn
Рис. 4. Зависимость средней скорости КП v
кп
растворимости от концент-
рации С
Пр.р
: а 1 (Sn + Ме (Cd, Pb, Zn, In, Bi))In; 2 (Sn + Ме (Cd,
Pb, Zn, In, Bi))Pb; б 1 (In + Ме (Zn, Sn, Sn, Pb))Sn; 2 (In +
+ Ме (Zn, Sn, Sn, Pb))Bi; в 1 (Pb + Ме (Li, Sn, In, Bi))Bi; 2
(Pb + Ме (Li, Sn, In, Bi))Sn
Fig. 4. Dependence of average speed contact melting v
кп
from dissolution С
Пр.р
:
а 1 (Sn + Ме (Cd, Pb, Zn, In, Bi))In; 2 (Sn + Ме (Cd, Pb, Zn, In,
Bi))Pb; б 1 (In + Ме (Zn, Sn, Sn, Pb))Sn; 2 (In + Ме (Zn, Sn, Sn,
Pb))Bi; в 1 (Pb + Ме (Li, Sn, In, Bi))Bi; 2 (Pb + Ме (Li, Sn, In,
Bi))Sn
римости С
Пр.р.
. Видно, что между v
кп
и С
Пр.р.
существует корреляция.
Следует отметить, что в работе [9] Е. Д. Хондрос на основе анализа
большого числа экспериментальных данных получил зависимость степе-
ни заполнения Х
ГЗ
примесными атомами адсорбционных центров по
границам зерен от их предельной растворимости
Х
ГЗ
= С
0
/С
Пр.р.
, (1)
где С
0
концентрация твердого раствора в объеме зерна. Соотношение
(1) и зависимости v
кп
от С
Пр.р.
(рис. 4) указывают на важную роль
С
Пр.р.
,
% (ат.)
С
Пр.р.
,
% (ат.)
С
Пр.р.
,
% (ат.)
а
б
в
0,80
0,40
0,50
0,30
0,60
0,20
зернограничной сегрегации в процессах контактного плавления
поликристаллических твердых растворов с металлами.
Выводы
Показано, что скорость контактного плавления твердых растворов с
металлами в нестационарно-диффузионном режиме слабо зависит от типа
примеси, за исключением примесей щелочных металлов.
Концентрация примесных атомов оказывает существенное влияние не
только на скорость контактного плавления, но и на структуру контактных
прослоек.
Между скоростью контактного плавления твердых растворов с
металлами и предельной растворимостью добавок в твердом растворе
существуют корреляции.
РЕЗЮМЕ. Вивчено контактне плавлення твердих розчинів з металами. Показано, що, якщо
концентрація домішок нижче межі розчинності, швидкість контактного плавлення металів
слабко залежить від типу домішки. Збільшення концентрації домішок приводить до росту
швидкості для всіх систем. Встановлено також, що в досліджених системах між швидкістю
контактного плавлення і граничною розчинністю існує кореляція.
1. Савицкая Л. К., Савинцев П. А. К вопросу о природе контактного плавления // Изв.
вузов. Физика. 1961. Вып. 6. С. 126134.
2. Савицкая Л. К., Савинцев П. А. Исследование поверхностных явлений при контактном
плавлении металлов // Поверхностные явления в расплавах и процессах порошковой
металлургии. К.: Наук. думка, 1963. С. 273280.
3. Жданов В. В., Савицкий Л. П. Влияние легирования на скорость контактного плавления
в стационарном режиме // Физическая химия границ раздела контактирующих фаз.
К.: Наук. думка, 1976. С. 184187.
4. Байсултанов М. М., Ахкубеков А. А., Савинцев П. А. О влиянии примесей на контактное
плавление в металлических системах // Физика межфазных явлений. Нальчик: Каб.-
Балк. yн-т, 1985. C. 125136.
5. Ахкубеков А. А., Орквасов Т. А., Созаев В. А. Контактное плавление металлов и
наноструктур на основе. М.: Физмат, 2008. 152 с.
6. Ахкубеков А. А., Еналдиева О. Л., Жилоков Х. П. и др. Поверхностные свойства и
контактное плавление твёрдых металлических растворов с металлами //
Поверхность. 2006. № 1. С. 9296.
7. Ахкубеков А. А., Еналдиева О. Л., Орквасов Т. А., Созаев В. А. Влияние
электропереноса на контактное плавление твёрдого раствора Pb 0,5% (ат.) Li с
висмутом и оловом // Расплавы. 2006. № 4. С. 7376.
8. Ахкубеков А. А., Далакова Н. В., Еналдиева О. Л. и др. Влияние малых добавок
щелочных металлов и электрического тока на контактное плавление кадмия с оловом и
свинцом // Изв. РАН. Сер. физ. 2006. 70, № 7. С. 932935.
9. Hondros E. D. Grain boundary segregation. The current situation and future requirements //
J. Phys. (France). 1975. 36, No. 10. P. 117134.
Поступила 11.11.08
Dalakova N. V., Orkvasov T. A., Sozaev V. A.
The influence of impurity on the speed of contact melting in metals and phaseformation
in contact layers
The contact melting of solid solutions with metals is studied. The speed of contact melting of
metals poorly depends on the type of impurity if their concentration is below the solubility limit.
The increasing content of impurities results in the increasing speed in all cases. The speed of
contact melting and limiting solubility are shown to be correlated.
УДК 532.64.669
О. П. Уманський, М. С. Стороженко, А. Д. Панасюк, В. П. Коновал
*
ДОСЛІДЖЕННЯ КОНТАКТНОЇ ВЗАЄМОДІЇ TiB
2
SiC
ЗІ СПЛАВАМИ NiCr
Досліджено змочування ТiB
2
SiC сплавами NiCr. Встановлено, що невеликі добавки
хрому зумовлюють зниження контактних кутів змочування в системі (ТiB
2
SiC)
(NiCr), оскільки хром є поверхнево-активним елементом і сприяє зменшення поверхне-
вого натягу розплаву. Вивчено мікроструктуру зони взаємодії дибориду титанукарбіду
кремнію зі сплавами NiCr. Проведені дослідження дозволили визначити оптимальний
склад композиційного матеріалу (ТiB
2
SiC)(NiCr).
Вступ
Актуальність даної роботи зумовлена необхідністю створення нових
триботехнічних композиційних матеріалів на основі тугоплавких сполук
для нанесення зносостійких покриттів на деталі зі сталі. В якості
основного об’єкту дослідження обрано диборид титану, який має високі
фізико-механічні і експлуатаційні властивості [1]. Для покращення зносо-
та жаростійкості до матеріалу вводили 20% (мас.) карбіду кремнію [ 2, 3].
Однак раціональне використання цих матеріалів із-за високої їх
крихкості можливе лише в комплексі з металевими зв’язками. Металева
зв’язка в композиційних матеріалах на основі тугоплавких сполук повинна
задовольняти наступним умовам [4, 5]:
композит в системі тугоплавка сполука
металева зв’язка в
процесі міжфазної взаємодії повинен утворюватися за контактних
кутів змочування, близьких до нульових.
відсутність активної хімічної взаємодії між тугоплавкою
складовою і металевою зв’язкою.
В якості металевої зв’язки для матеріалів на основі TiB
2
SiC доцільно
використовувати сплави на основі нікелю. Нікель має високу пластич-
ність, тому буде сприяти зниженню крихкості матеріалу диборид тита-
ну
карбід кремнію. Крім того, нікель і титан мають близькі по значенню
коефіцієнти термічного розширення. Цей параметр має велике значення,
оскільки від нього залежить якість покриттів, структурна пристосовува-
ність компонентів покриття. Раніше було досліджено взаємодію дибориду
титану та карбіду кремнію з нікелем та ніхромом. При взаємодії дибори-
ду титану і карбіду кремнію з нікель-хромовими сплавами утворюються
нові сполуки, що можуть призвести до крихкості зв’язки [6, 7].
Мета проведених досліджень
вивчення закономірностей змочування
і особливостей контактної взаємодії в системах (ТiB
2
SiC)
(Ni
Cr) для
*
О. П. Уманський доктор технічних наук, ведучий науковий співробітник, Інститут
проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України; М. С. Стороженко
аспирант цієї ж установи; А. Д. Панасюк доктор технічних наук, професор цієї ж
установи; В. П. Коновал кандидат технічних наук, науковий співробітник цієї ж уста-
нови.
О. П. Уманський, М. С. Стороженко, А. Д. Панасюк, В. П. Коновал, 2008
визначення оптимального складу металевої зв’язки композиційних
матеріалів на основі дибориду титану
карбіду кремнію.
Методика і об’єкти експерименту
Дослідження контактної взаємодії матеріалу дибориду титану
карбіду
кремнію зі сплавами на основі нікелю проводили методом лежачої краплі
у вакуумі при T = 1550 °C протягом 30 хв [7, 8]. Склад і структуру фаз,
що утворюються при взаємодії підкладки і сплаву, вивчали на
електронному мікроаналізаторі Camebax SX-50. Зразки підкладок були
отримані гарячим пресуванням з наступною обробкою їх поверхні.
Вихідний порошок ТiB
2
SiC отримували змішуванням в планетарному
млині в середовищі спирту порошків ТiB
2
та SiC у співвідношенні 4 : 1.
Сплави Ni
Cr в концентраційному інтервалі 5
25% (мас.) Cr були
отримані з відповідних порошків плавленням в вакуумній печі СШВ.
Результати досліджень та їх обговорення
При змочуванні ТiB
2
SiC чистим нікелем на поверхні утворюється
початковий контактний кут 62°, а потім протягом 5 хв встановлюється
рівноважний крайовий кут змочування, котрий дорівнює 36° (рис. 1).
Рис. 1. Кінетика змочування ТiB
2
SiC нікелем (1) та сплавами Ni
Cr
з вмістом хрому (% (мас.)): 2
5; 3
10; 4
15; 5
20; 6
25
Fig. 1. Kinetics of wetting of ТiB
2
SiC
by nickel (1) and alloys on the
base of nickel with chromium additives (% ( mas.)): 2
5; 3
10; 4
15; 5
20; 6
25
t, хв
Θ
, град
Рис. 2. Мікроструктура краплі
системи (ТiB
2
SiC)Ni
Fig. 2. Microstructure of a drop of
(ТiB
2
SiC)Ni system
На електронному мікроскопі
проведено дослідження зони
взаємодії (ТiB
2
SiC)
Ni.
В зоні краплі виявляються зерна
світлої та темної фаз (рис. 2).
Світла фаза характеризується наявністю нікелю та кремнію, темна фаза
містить нікель і титан. Глибина перехідної зони системи (ТiB
2
SiC)Ni
досягає 200 мкм, ця зона має гетерофазну структуру (рис. 3). В зоні
контакту виявлено кремній, нікель та титан (рис. 4). Мікротвердість
перехідної зони становить 910 ГПа, що відповідає мікротвердості
силіцидних фаз нікелю. Очевидно, в процесі взаємодії краплі та підкладки
утворюються силіциди нікелю Ni
3
Si, Ni
5
Si
2
, які будуть призводити до
крихкості зв’язки.
Нікель для даної системи є дуже активним хімічним елементом, який
сприяє утворенню нових хімічних сполук, що в кінцевому результаті
призведе до крихкості матеріалу. Тому необхідне введення до сплаву
другого компонента, який би запобігав активній хімічній взаємодії нікелю
та сприяв його кращому розтіканню. Методом лежачої краплі в аргоні
встановлено, що введення хрому знижує σ
NiCr
при 1550 °С [9], тому
домішки хрому повинні інтенсифікувати змочування сплавом туго-
плавкої фази та зменшувати активність нікелю, тим самим знижуючи
інтенсивність взаємодії сплаву з тугоплавкою складовою та запобігаючи
утворенню нових хімічних сполук [5]. Введення до сплаву хрому, який є
поверхнево-активним елементом, сприяє утворенню нульових кутів
змочування в системі (ТiB
2
SiC)(NiСr) (таблиця).
Невеликі добавки хрому (5% (мас.)) сприяють розтіканню сплаву по
поверхні ТiB
2
SiC: утворюється кут 54°, який зменшується протягом
6 хв до 29°. Далі стан системи стабілізується і подальших змін не
відбувається (див. рис. 1).
Рис. 3. Мікроструктура
зони контакту системи
(ТiB
2
SiC)Ni: 1
(ТiB
2
SiC); 2 Ni
Fig. 3. Microstructure of
interaction zone (ТiB
2
SiC)Ni system: 1
(ТiB
2
SiC); 2 Ni
Рис. 4. Мікроструктура зони взаємодії (ТiB
2
SiC)Ni і розподіл в ній елементів: никелю (а),
кремнію (б) та титану (в)
Fig. 4. Microstructure of interaction zone (ТiB
2
SiC)Ni and distribution of elements in it:
nickel (а), silicon (б) and titanium (в)
а
б
в
Енергетичні параметри змочування дибориду титану
карбіду
кремнію сплавами Ni
Cr (вакуум
1,33 МПа, Т = 1550 °
°°
°С)
Energetic parameters of wetting of (ТiB
2
SiC) by Ni
Cr alloys
(vacuum
1,33 MPa, Т = 1550 °
°°
°С)
Розплав,
% (мас.)
Час
контакту,
хв
Контактний
кут, град
Поверхневий
натяг
розплаву,
мДж/м
2
[9]
Робота
адгезії,
мДж/м
2
Ni
Ni
5Cr
Ni
10Cr
Ni
15Cr
Ni
20Cr
Ni
25Cr
10
2
3
3
3
3
36
29
14
10
0
12
1700
1664
1625
1545
1529
1490
3075
3119
3201
3066
3057
2947
Електронно-графічні дослідження виявили в нікелевій фазі наявність
титану і кремнію, але їх інтенсивність значно менша в порівнянні з
краплею в системі (ТiB
2
SiC)
Ni. Глибина зони взаємодії становить
близько 60 мкм і має двофазну структуру (рис. 5, а). Очевидно, що тут,
як і у випадку з чистим нікелем, відбувається хімічна взаємодія з
утворенням силіцидів нікелю, однак ця взаємодія менш інтенсивна.
Подальше додавання хрому в кількості 10
20% (мас.) монотонно
знижує контактні кути змочування (див. рис. 1). При взаємодії TiB
2
SiC
зі сплавом Ni
10% Cr утворюється початковий кут 35°, який протягом
4 хв зменшується до 15°. Сплав Ni
15% Cr розтікається по поверхні
TiB
2
SiC з утворенням рівноважного контактного кута 11°
протягом
3 хв. При змочуванні твердої фази сплавом Ni
20% Cr утворюється
початковий кут 30°, а через 3 хв розтікання сплаву повністю завершується
з утворенням нульового кута.
Мікроструктура зони контакту системи (TiB
2
SiC)
(Ni
20% Cr)
характеризується чіткою межею між металевим сплавом і тугоплавкою
складовою (рис. 5, б). В результаті змочування не відбувається перероз-
поділу елементів і не виявлено нових хімічних сполук, про що свідчать
дані мікрорентгеноспектрального аналізу. Зона краплі, на відміну від
краплі в системі (ТiB
2
SiC)
Ni, однофазна. Спостерігаються сліди
титану і кремнію, а також поодинокі зерна хрому, виявлені на контактній
межі металевої фази з тугоплавкою сполукою (рис. 6, а).
З наступним додаванням хрому (25% (мас.)) контактний кут
змочування збільшується. Глибина зони взаємодії становить близько
150 мкм. При цьому на межі взаємодії зі сторони краплі виявлено утво-
рення суцільної світло-сірої підзони (50
60 мкм), збагаченої хромом
(рис. 6, б). Утворення цієї фази, з одного боку, і збіднення краплі хромом,
з другого, очевидно, сприяють погіршенню змочування в системі