Взаимодействиe разнородных металлов в твердом и твердо-жидком состояниях.
Два разнородных металла можно соединять, когда они находятся в твердом (диффузионная сварка, холодная сварка и др.) и в жидком состоянии, т. е. когда оба металла полностью или частично расплавляются (различные виды дуговой сварки), а также в твердожидком состоянии. В последнем случае один из металлов в течение всего процесса остается в твердом состоянии, а другой расплавляется. Возможность соединения разнородных металлов в твердожидком состоянии определяется их физико-химическими свойствами и типом реакции металлов друг с другом, а в более сложных системах – с другими легирующими элементами и примесями.
Основную роль в образовании соединения в твердо – жидком состоянии играет процесс смачивания. Однако на свойства соединения могут оказывать существенное влияние и другие сопутствующие процессы: растворение, взаимная диффузия, образование промежуточных интерметаллидных, эвтектических и других фаз.
В зависимости от температуры плавления основного и наплавляемого металлов процесс соединения может протекать как с расплавлением основного металла, так и без его расплавления. Если температура плавления наплавляемого металла близка к температуре плавления основного металла или выше ее, то основной металл обязательно расплавится. В этом случае соединение наплавляемого и основного металлов происходит в результате образования общей ванны и ее последующей кристаллизации. Такой процесс соединения получается при сварке однородных металлов, а также, например, при наплавке нержавеющих сталей на малоуглеродистые. Если температура плавления наплавляемого металла значительно ниже температуры плавления основного металла, то основной металл в течение всего процесса может оставаться в твердом состоянии (например, при заливке меди на поверхность стали и т. п.).
На свободной поверхности кристалла или жидкости атом оказывается неуравновешенным или из-за отсутствия связи (вакуум) или вследствие ослабления связи, обусловленной иными свойствами окружающей среды. Это приводит к повышению энергии поверхностного слоя кристалла. Определить межфазную энергию в нестационарном процессе очень трудно, так как эта энергия в каждом конкретном случае зависит от особенностей самого процесса, физико-химической природы рассматриваемых фаз и поверхностных явлений. Для ориентировочных оценок периода ретардации можно, по-видимому, принять допущение, что величина межфазной энергии в случае взаимодействия двух конденсированных фаз изменяется (уменьшается) по экспоненциальному закону.
Для изучения тепловых и диффузионных процессов на границе раздела твердой и жидкой фаз была разработана специальная методика – «жидкая клиновая проба», позволяющая регулированием температуры и длительности контактирования фаз направлять процессы, протекающие в зоне контакта. Жидкий расплав заливают в клиновое пространство, ограниченное с одной стороны образцом (твердая фаза), а с другой стороны кристаллизатором из меди или из другого материала с высокой теплопроводностью (с боков клиновое пространство ограничено теплоизоляционными стенками). Длительность контактирования по длине образца регулируется разницей в скоростях и времени кристаллизации в верхней и нижней («капилляр») частях клинового пространства. В нижней части клина длительность контактирования минимальная. Определяется она температурой подогрева образца и заливаемой жидкости.
Выполненные исследования на различных парах разнородных металлов показали, что изменяя температуру подложки и температуру жидкого металла, можно гибко регулировать процессы, протекающие в зоне контакта, от интенсивного растворения твердой фазы, существенного развития процессов гетеродиффузии, образования интерметаллидов различного состава до практически полного подавления гетерогенной диффузии на некоторых парах металлов или отсутствия смачивания (обычная кристаллизация у твердой стенки). Длительность контактирования может изменяться в широких пределах: от 0,08 – 0,1 до 3 – 8 сек и более. Одной из основных задач при исследовании по методике «жидкая клиновая проба» было получение соединений с минимальным развитием процессов гетеродиффузии в зоне контакта и определение температуры и времени, необходимых для образования таких соединений.
Исследования при помощи локального рентгено-спектрального анализа (диаметр фокального пятна примерно 2 мкм) показали, что, регулируя температуру подогрева образца и температуру перегрева жидкого металла, можно получить соединения с глубиной зоны гетеродиффузии практически за пределами чувствительности рентгеновского метода. По данным работ, минимальные зоны, образующиеся при различных способах соединения материалов, составляют 6 – 20 мкм. Получение соединений с зоной гетеродиффузии менее 1 – 2 мкм представляет большой интерес, так как указывает на практическую возможность образования высококачественного соединения при взаимодействии твердой и жидкой металлических фаз с исчезающе малой величиной зоны развития химической неоднородности. Для получения таких соединений время процесса взаимодействия фаз не должно значительно превышать время, необходимое для протекания процессов смачивания.
Эксперименты и расчеты показывают, что для получения соединений с минимальным развитием гетеродиффузии длительность контактирования при температуре, несколько превышающей температуру плавления, для железа с алюминием составляет при 700° С примерно 4 сек, а для пары железо и никель с медью при 1100° С – примерно 0,5 сек. Получение хорошего металлического контакта между сталью и алюминиевыми сплавами затрудняется большим сродством алюминия к кислороду и значительной прочностью окиси алюминия (А1203), о чем свидетельствует теплота образования этого соединения, равная 400 ккал / моль. При заливке струя алюминиевого сплава идет в «чулке» из окиси алюминия, которая препятствует смачиванию арматуры сплавом, а быстрое затвердевание пограничного слоя не позволяет удалить пленку окислов ни с помощью оксидорастворяющих флюсов, ни другими методами. Подогрев арматуры для замедления кристаллизации пограничного слоя алюминиевого сплава не дал положительных результатов, так как арматура при этом окисляется. Наличие окислов железа еще больше ухудшает контакт сплавов. Если в состав алюминиевого сплава входит магний, то на поверхности расплава образуется прочная пленка из шпинели (Мg0 Аl203), что еще больше препятствует соединению стали с алюминием. Предварительное суждение об образующихся структурах в железоалюминиевых соединениях, свойствах сталей, содержащих алюминий, и алюминиевых сплавах, содержащих железо, может быть сделано на основании диаграммы состояния алюминий – железо и некоторых других. К сожалению, в диаграмме состояния железо – алюминий до настоящего времени многое остается спорным. Одна из наиболее достоверных диаграмм состояния предложена А. Бредли.
  • Читать все новости