Поверхностные явления играют решающую роль в образовании прочных связей при соединении разнородных металлов. Изучение поведения жидкого алюминия по отношению к твердому железу представляет значительный теоретический интерес и необходимо для разработки технологических режимов алитирования сталей, сварки сталей с алюминием и других процессов. Некоторые детали этого взаимодействия могут быть выяснены при исследовании кинетики и механизма смачивания и растекания алюминия по железу.
Литературные данные по этому вопросу скудны. Поэтому была изучена кинетика и выяснен механизм растекания алюминия по железу в широком интервале температур.
Процесс растекания капли фиксировался на кинопленке в течение 8 – 10 сек непрерывно, затем покадрово через промежутки времени, отсчитываемые по секундомеру.
С помощью микроскопа УИМ 21 на кинопленке по контурам капель измеряли диаметр капли в месте ее контакта с поверхностью смачиваемого образца и краевые углы смачивания (правый и левый). На каждом кадре проводили три-пять замеров. Разброс результатов определения углов смачивания составлял 3 – 5°.
Степень смачивания оценивали по краевому углу 0, а скорость растекания – по изменению контакта во времени т (s – площадь растекания капли; d – диаметр капли).
растекание алюминия по железу

 

В опытах применяли алюминий марки АВ000 (99,99 % А1) и армко-железо. Поверхность смачиваемого образца перед опытом шлифовали, полировали, промывали бензином и спиртом, а затем образец отжигали в вакууме при 1000° С и он охлаждался с печью.
Капля растекается, образуя пятно круглой формы. При увеличении времени контакта до 10 – 30 сек (в зависимости от температуры опыта) вокруг капли образуется ореол в виде тонкой пленки. С увеличением времени контакта до 0,5 – 3 мин растекание прекращается и капля, теряя форму шарового сегмента, приобретает цилиндрическую форму.
Наряду с растеканием алюминий диффундирует в объем железа (под каплей), что вызывает образование слоя промежуточных фаз. Одновременно вследствие обогащения расплава железом изменяются свойства расплава. Это приводит к тому, что дальнейшее растекание прекращается и форма капли резко меняется.
В связи с рассматриваемым механизмом растекания алюминия по железу интересно исследовать кинетику растекания алюминия по интерметаллическим фазам системы железо – алюминий.
Полученные результаты показывают, что варьирование температурно-временных условий не влияет на фазовый состав интерметаллической прослойки при контактном взаимодействии алюминия с железом. Из этого следует, что для получения прочных соединений алюминия с железом процесс следует проводить по режимам, обеспечивающим минимальную толщину интерметаллической прослойки. Для этого время контакта расплавленного алюминия с железом и его сплавами должно быть минимальным.
На практике одним из методов повышения прочностных характеристик соединений алюминия с железом является введение в расплав алюминия второго компонента, например бериллия, кремния и др., замедляющего образование хрупких фаз в зоне контакта.
Изучали влияние добавок кремния (до 10 %) в расплав алюминия на кинетику растекания по железу в интервале температур 700 – 900° С. В опытах применяли алюминий марки А99, кремний М18 и армко-железо. Алюмокремниевые сплавы готовились сплавлением исходных компонентов в тиглях из окиси алюминия в вакууме. Исследования по кинетике растекания алюмокремниевых расплавов по железу проводились в вакууме не менее 1 – 3–10~5 мм рт. ст. методом киносъемки. Перед опытов полированный образец железа подвергался термовакуумной обработке. Исследуемые объекты нагревались раздельно и приводились в контакт в заданный момент времени.
Данные исследования кинетики растекания алюмокремниевых расплавов по железу показывают, что алюмо-кремниевые расплавы удовлетворительно смачивают поверхность железа (0 < 90°). При малом времени контакта и содержании кремния в расплаве алюминия до 4 % наблюдается близкая квадратичной зависимость диаметра пятна капли от времени. С повышением содержания кремния до 6 – 9 % в температурном интервале 700 – 900° С вследствие того, что растекание завершается за время, меньшее чем 0,5 – 1,0 – Ю 2 сек, методика температуре опыта в течение часа. Небольшие добавки кремния (0,74 – 2,15 %) увеличивают площадь растекания более чем в два раза. С ростом содержания кремния в расплаве площадь растекания уменьшается, за пределами капли на поверхности железа виден ряд колец, которые растут в процессе изотермической выдержки.
Улучшить смачиваемость поверхности стальной детали алюминием можно несколькими способами. При наличии на поверхности стали легкоплавких гальванических покрытий смачивание позволяет проследить за изменением площади растекания во времени.
Значительно влияют на смачивание легирующие примеси в алюминиевом сплаве. Влияние легирующих добавок на поверхностное натяжение расплава зависит от соотношения атомных объемов растворимого элемента и растворителя: чем больше атомный объем вводимого элемента, тем больше снижение поверхностного натяжения металла-растворителя. Установлено, что поверхностное натяжение расплава резко уменьшается при введении небольших присадок поверхностно активных элементов. Растекание алюминия по стали улучшается при добавлении в расплав сильных восстановителей (Mg, Na, К и др.), так как они восстанавливают пленку окислов.
Для определения растекаемости японские исследователи использовали образцы сплавов с добавками Ag, Be, Bi, Са, Cd, Со, Cr, Си, In, К, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Sb, Se, Si, Sn, Те, Ti и Zr. Образцы имели диаметр 3 мм, высоту 5 мм их устанавливали на железных подкладках и помещали в электрическую печь с температурой 680° С, где выдерживали 2 мин. Во всех случаях использовали флюс КФ 54. Было установлено, что наиболее эффективно повышает растекаемость алюминиевых сплавов висмут. Исследования показывают, что влияние легирующих компонентов на растекание жидкого алюминия тесно связано с влиянием их на поверхностное натяжение. При этом примеси, повышающие поверхностное натяжение или не оказывающие на него влияние, ухудшают смачивание алюминием стали. Улучшают растекание те примеси, которые понижают поверхностное натяжение расплава. Например, присадка к алюминию кремния, марганца, меди, цинка не оказывает практически никакого влияния на растекание алюминия по стали, так как эти примеси мало влияют на его поверхностное натяжение. В то же время введение в алюминий магния, свинца, висмута, кадмия в значительной мере уменьшает поверхностное натяжение и улучшает растекание.
На процесс смачивания оказывают влияние также флюсы. Многие исследователи для горячего алитирования рекомендуют применять смеси хлоридов, фторидов щелочных и щелочноземельных металлов с криолитом, а в качестве сплава для алитирования – чистый алюминий с добавками кремния, бериллия, хрома, меди, цинка.
Флюс, обеспечивающий полное смачивание стали расплавленным алюминием, должен обладать рядом свойств, важнейшим из которых является способность растворять окислы железа и окись алюминия. В работе смачивание твердой поверхности стали расплавленным алюминием определяли оптическим методом, сущность которого заключается в том, что изменение состояния исследуемых образцов, нагреваемых в печи, фиксируется на экране в виде контуров. Эксперименты проводили при 700° С.
Была проверена возможность использования выбранного флюса для горячего алитирования чугуна и легированного чугуна-нерезиста. Опыты дали положительные результаты.
Растекание расплава зависит не только от смачивания и поверхностного натяжения на границе раздела жидкость – газ, но и от других факторов: вязкости и жидкотекучести расплава, наличия на поверхности расплава окисных пленок, жировых пятен, окислов, шероховатости и пр.

  • Читать все новости