Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние исследований поверхностного натяжения бинарных металлических расплавов и углов смачивания ими стали и графита 8
1.1. Рекомендуемые значения поверхностного натяжения чистых металлов 8
1.2.Термодинамика поверхностных явлений бинарных металлических систем 13
1.3. Политермы и изотермы поверхностного натяжения расплавов на основе свинца, индия и кадмия 20
1.3.1. Температурная зависимость поверхностного натяжения чистого индия 20
1.3.2. Поверхностное натяжение свинка и его сплавов 32
1.3.3.Температурная зависимость поверхностного натяжения жидкого кадмия 36
1.4. Смачивание металлическими расплавами графита 39
1.4.1.0 связи углов смачивания с энергией адгезии 40
1.4.2. Экспериментальные данные по измерению краевого угла смачивания графита жидкими металлами 46
1.4.3. Смачивание ииролитичсского графита, стеклоуглерода, графита марки ПРОГ-2400 53
Выводы к 1 главе 60
2. Методика измерения поверхностного натяжения и углов смачивания в металлических расплавах 61
2.1. Диаграммы состояния исследованных систем 61
2.2. Выбор метода измерения поверхностного натяжения и углов смачивания в металлических расплавах 62
2.3. Описание экспериментальной установки 70
3. Результаты экспериментальных исследований температурной зависимости поверхностного натяжения свинца, индия, кадмия с малыми добавками лития и натрия 76
3.1. Политермы поверхностного натяжения расплава свинца с малыми добавками лития 76
3.2. Температурная зависимость поверхностного натяжения расплава индий-натрий 82
3.3. Зависимость поверхностною натяжения расплавов кадмий-натрий от температуры 85
Выводы к 3 главе 91
4. Результаты экспериментальных исследований иолитерм угла смачивания металлическими расплавами свинец-литий, индий-натрий, кадмий-натрий конструкционной стали 12Х18Н9Т и графита 92
4.1. Температурная зависимость углов смачивания расплавов свинец-литий на стали 12Х18Н9Т и графите 92
4.2. Зависимость углов смачивания расплавов индий-натрий настали 12Х18Н9Т и графите от температуры 94
4.3. Политермы углов смачивания расплавами кадмий-натрий Графита 98
Выводы к 4 главе 101
Выводы по работе 102
Литература 104
- Политермы и изотермы поверхностного натяжения расплавов на основе свинца, индия и кадмия
- Выбор метода измерения поверхностного натяжения и углов смачивания в металлических расплавах
- Температурная зависимость поверхностного натяжения расплава индий-натрий
- Зависимость углов смачивания расплавов индий-натрий настали 12Х18Н9Т и графите от температуры
Введение к работе
Актуальность темы. Изучение поверхностных явлений жидких металлических сплавов актуально в связи с построением общей теории жидкого состояния, которая в последние годы получила существенное развитие. Вместе с тем, многие вопросы поверхностных явлений жидкого состояния остаются малоизученными.
Не до конца выяснено влияние химических соединений и эвтектик на поверхностные свойства металлических расплавов. Существует проблема объяснения особенностей на концентрационной зависимости поверхностного натяжения (осцилляции) в области малых концентраций, которые наблюдаются в некоторых работах.
Мало пока изучены поверхностные явления расплавов с участием малых добавок щелочных металлов. Недостаточно изучено смачивание жидкими металлическими расплавами, например, такими как Pb-Bi, Pb-Li, Cd-Na графита и некоторых металлов.
В то же время явления смачивания и растекания играют большую роль во многих технологических процессах: лужении и пайке, создании композиционных материалов методом пропитки, жидкофазном спекании порошковых изделий, металлизации керамик. Особый интерес в связи с этим представляют температурные зависимости ПН и углов смачивания свинцово-литиевых сплавов и свинцово-натриевых растворов, которые перспективны в качестве теплоносителей в ядерных установках.
Цель работы. Исследование температурной и концентрационной зависимости поверхностного натяжения жидких свинца, индия и кадмия с малыми добавками лития и натрия и смачивание ими конструкционной 12Х18Н9Т и графита.
Для достижения указанной цели ставились и решались задачи:
1. Изучить влияние малых добавок щелочных металлов (лития и натрия) на политермы плотности и поверхностного натяжения жидких свинца, индия и кадмия;
2. Установить температурную зависимость углов смачивания расплавами Pb-Li, Cd-Na, In-Na (с малым содержанием лития и натрия) графита;
3. Выяснить характер влияния малых добавок лития и натрия на политермы углов смачивания расплавами свинцом и индием стали 12X18Н9Т.
Научная новизна полученных результатов
1. Впервые изучены политермы поверхностного натяжения (ПН) и плотности свинца с малыми добавками лития: РЬ - 0.03, 0.1, 0.3 и 0.5 ат.% Li в интервале температур от точки плавления до 1000°С. Установлено, что политермы ПН и плотности удовлетворительно описываются линейными уравнениями. Изучены температурные зависимости углов смачивания расплавами свинец-литий стали 12Х18Н9Т. Показано, что в интервале температур от точки плавления до 900°С углы смачивания с увеличением температуры снижаются, но остаются больше 90°. В исследуемом интервале температур изученные расплавы Pb-Li (с малым содержанием лития) сталь не смачивают.
2. Впервые изучено влияние малых добавок натрия на ПН кадмия. Показано, что добавки натрия понижают ПН кадмия, политермы ПН и плотности расплавов кадмия: 0.01, 0.03, 0.04, 0.07, 0.25 и 0.48 ат.% Na линейны. В области малых концентраций на изотермах ПН расплавов Cd-Na наблюдаются особенности (осцилляции ПН).
3. Изучены политермы плотности и поверхностного натяжения индия с малыми добавками (до 0.5 ат.% Na) натрия: 0.02, 0.1, 0.3 и 0.5 ат.% Na. Показано, что политермы плотности и ПН линейны с отрицательным угловым коэффициентом. Показано, что добавки натрия снижают ПН жидкого индия. На изотерме ПН при х=0.02 ат.% Na наблюдается минимум на зависимости а (х).
4. Впервые изучены температурные зависимости углов смачивания In-Na стали 12X18Н9Т в интервале температур от точки плавления до 700°С. Обнаружены температурные пороги смачивания и их зависимость от концентрации Na в In. С увеличением концентрации Na температура, при которой наблюдается резкое снижение угла смачивания расплавами In-Na стали снижается. Исключением является расплав In - 0.02 ат.% Na, что связано с наличием минимума на концентрационной зависимости поверхностного натяжения при х=0.02 ат.% Na.
5. Впервые изучены политермы углов смачивания расплавами Pb-Li, In-Na, Cd-Na графита в широком температурном интервале. Показано, что во всех случаях 0 понижается с увеличением температуры, однако исследуемые расплавы не смачивают графит, что указывает на отсутствие взаимодействия расплавов с графитом.
Практическая ценность результатов
Полученные экспериментальные данные по политермам плотности и ПН расплавов Pb-Li, Cd-Na, In-Na (с малым содержанием Li и Na) могут найти применение при разработке теплоносителей для ядерных реакторов, при разработке новых припоев и систем металлизации керамик.
Результаты работы использовались в учебном процессе при чтении спецкурса по физике межфазных явлений на физическом факультете Кабардино-Балкарского госуниверситета.
Достоверность. Обоснованность и достоверность полученных результатов проанализировано оценкой погрешностей расчетов и экспериментов. Основные результаты получены повторением экспериментов в одинаковых условиях, а также подтверждены в исследованиях других авторов.
Основные положении, выносимые на защиту
1. Данные по температурной зависимости плотности и поверхностному натяжению расплавов Pb-Li, Cd-Na, In-Na, полученные методом большой капли.
2. Обнаруженные особенности (минимумы) в концентрационном ходе поверхностного натяжения расплавов Pb-Li, Cd-Na, In-Na в области малых концентраций щелочных добавок.
3. Данные по влиянию малых добавок Li и Na на температурную зависимость углов смачивания жидким свинцом и индием конструкционной стали 12Х18Н9Т.
4. Обнаруженные температурные пороги смачивания расплавами In-Na (с малыми добавками Na) стали 12Х18Н9Т, при которых наблюдается резкое снижение угла смачивания.
5. Данные по температурной зависимости углов смачивания расплавами Pb-Li, Cd-Na, In-Na (с малым содержанием Li и Na) графита и установленный факт несмачивания изученными расплавами графита.
Личный вклад автора. Цель и задачи диссертационной работы и методы исследования сформулированы научным руководителем проф. А.А. Ахкубековым. В обсуждении полученных результатов принимали участие проф. В.А. Созаев и доцент М.Х. Понежев. Все остальные результаты получены автором лично.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Санкт-Петербург, 2005г.), Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2005), 9 - Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» (ОМА-9) (п. Лоо - 2006), 2 Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ» (г. Нальчик -2006), 13 Международной конференции «Жидкие и аморфные металлы» (LAM - 13) (Екатеринбург, 2007), 10-м Международном симпозиуме «Порядок, и беспорядок и свойства оксидов» (ODPO - 10) (Лоо - 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 1 в журнале РАН.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 10 таблиц. Она состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 180 наименований.
Политермы и изотермы поверхностного натяжения расплавов на основе свинца, индия и кадмия
Уравнение СИ. Попеля и В.В. Павлова учитывает как отличие концентраций компонентов в поверхности и в глубине раствора, так и обусловленное этим различие молярных объемов: со, RT. X ; V RT. п -. со, со, Ху со, где ю, - парциальные молярные площади і-го компонента; V и V0) - молярный объем раствора в объемной фазе и поверхностном слое соответственно; ctj -структурный коэффициент, учитывающий долю недостающих связей в поверхностном слое по сравнению с объемной фазой (обычно принимается равным а=1/6); у; - коэффициент активности і-го компонента в растворе. Парциальные мольные площади компонентов оцениваются по формуле: m fttrvr, (1.4) где f - коэффициент упаковки, близкий к единице; NA - число Авогадро; Vj -парциальный молярный объем і-го компонента. Для идеального раствора у,=1, со, =Ш, и уравнение (1.3) можно переписать в виде [20] RT. 1-А"" V п сл т = (Т0+ — In , (1.5) 0 а 0 \-Х V" К J где Go, Wo - поверхностное натяжение и молярная поверхность чистого растворителя; X и Xм - концентрация второго компонента в объеме и в поверхностном слое, ат.%; V и Vі" - молярные объемы раствора при X и Х(1) соответственно. Составы объемной и поверхностной фаз в первом приближении можно рассчитать по формуле: Xа X (с0-а \ = ехр — со , (1.6) \-Xw \-Х \ RT ) v которая вытекает из (1.5) в предположении V=VW и о=щ [21].
Уравнение (1.2), записанное в приближении идеального раствора, когда а 1а,,=Х? 1Хп и уравнение (1.5) чаще всего используются в систематиках изотерм по степени отклонения экспериментальных изотерм от теоретически рассчитанных для идеальных растворов. Все известные изотермы а в [22] также разбиты на 4 группы:
1.Системы, изотермы поверхностного натяжения которых можно описать в рамках модели идеального раствора.
2.Системы, изотермы поверхностного натяжения которых лежат ниже рассчитанных в модели идеального раствора. В число таких систем, как правило, входят системы, содержащие эвтектики, например, Al-Sn, Si-Sn и др. В расплавах таких систем наблюдаются положительные отклонения от закона Рауля, энтальпии смешения их, в основном, положительны.
3.Системы, изотермы поверхностного натяжения которых лежат выше рассчитанных для идеальных растворов. В эту группу входят, в первую очередь, системы, на диаграммах состояния которых наблюдаются химические соединения. Расплавы этих систем характеризуются отрицательным отклонением от закона Рауля, энтальпии смешения отрицательны. В области составов, соответствующих конгруэнтно плавящимся соединениям, на изотермах поверхностного натяжения наблюдаются особенности в ходе изотерм. К числу таких систем относятся, например, Fe-Al, Co-Sn, Ni-Sn, Au-Sn, Ni-Al, Cu-Al и др.
Системы, изотермы поверхностного натяжения которых имеют знакопеременные отклонения от изотермы для идеальных растворов, например, системы Mg-Sn, Ag-ЛІ и др.
В работе [23] в основу систематизации изотерм а положено уравнение (1.1), записанное в приближении идеального раствора. Рассмотрены только системы, на диаграммах состояния которых наблюдаются растворы с неограниченной растворимостью в твердом и жидком состояниях, а также перитектические системы. На большом количестве примеров показана корреляция между ходом изотерм а и диаграммами состояния изученных систем. Однако системы с химическими соединениями не рассматривались.
Таким образом, приведенные классификации отражают определенную связь между видом диаграмм состояния и ходом изотерм поверхностного натяжения и широко используются в исследовательской практике. Однако сами диаграммы состояния не всегда изучены достаточно полно, кроме этого, классификации не учитывают всех факторов, влияющих на поверхностное натяжение металлических расплавов.
Поэтому постоянно ведется теоретический поиск, в первую очередь, термодинамических методов описания поверхностного натяжения, более полно учитывающих интерметаллическое взаимодействие атомов компонентов.
Большинство известных уравнений изотерм поверхностного натяжения, как правило, плохо согласуются с экспериментальными изотермами, когда имеются химические реакции между компонентами раствора, так как явно не учитывают в растворе все вещества, как введенные, так и возникающие в результате химических реакций, кроме этого, в уравнениях недостаточно учитываются индивидуальные особенности компонентов раствора. В известных систематиках подобные растворы характеризуются особенностями на изотермах а.
Попытки учесть влияние химических реакций на форму изотерм поверхностного натяжения бинарных систем предпринимались в ряде работ
Одним из недостатков этих теорий является то, что в окончательном уравнении содержатся трудно поддающиеся определению физические параметры, характеризующие химические соединения. В работе [24] из условия химического равновесия ІУ,М,=0 (1.7) ;=і для обратимой равновесной реакции vxAx +v2A2+... = vkAk или » ,4 «О, (1.8) а также для констант равновесия (из закона действующих масс) для объемной фазы і и поверхностной фазы 1\( У=К \ (1.10) с учетом соотношения //," -//, = j(on где //,,//?- химические потенциалы І-ГО компонента в объеме и на поверхности раствора, при условии, что давление в поверхностном слое и в объеме раствора одинаковы, получено следующее уравнение где Vj - стехиометрические коэффициенты веществ в химической реакции (1.15), Aj - вещества, участвующие в реакции.
Практическое использование уравнения (1.11) весьма затруднительно, ввиду сложности оценки константы равновесия в поверхностном слое Kw.
В работе [26] Есиным О.А. проведен термодинамический анализ условий, при которых из-за химических реакций возможно появление на изотермах а особых точек: максимумов, минимумов, точек перегибов в бинарных растворах.
Выбор метода измерения поверхностного натяжения и углов смачивания в металлических расплавах
Наибольшую скорость растекания по поверхности пирографита имеют чистый кремний и расплав с содержанием 9,5% ниобия, близкий по составу к эвтектическому в системе кремний — ниобий (рис. 1.21). Зависимость равновесных краевых углов от содержания ниобия в расплаве представлена на рис. 1.22, а.
Равновесный краевой угол смачивания пирографита жидким кремнием при температуре плавления устанавливается через 10 сек после расплавления и составляет 21 .
Заметно резкое уменьшение краевого угла в области малых (до 0,1%) концентраций ниобия. Мебольшие количества ниобия на межфазной границе расплав — пирографит увеличивают перенос углерода через эту границу, уменьшая свободную межфазную энергию аТ-ж что приводит к уменьшению краевого угла смачивания.
Увеличение содержания ниобия до 9,5% повышает краевой угол смачивания, дальнейшее повышение содержания ниобия приводит к некоторому уменьшению краевого угла.
Поверхностное натяжение этих расплавов увеличивается в исследуемом интервале концентраций. Для смачивания пирографита сплавами системы Sia справедливы те же рассуждения, что для системы Si-Nb (см. рис. 1.23,6).
Иначе обстоит дело с расплавами систем Si - Мо и Si - W. Кинетические кривые изменения краевых углов для этих систем представлены на рис. 1.23. Видно, что скорости установления равновесного краевого угла для чистого кремния и сплавов мало отличаются друг от друга. Некоторое замедление растекания у сплавов с 2% добавки более заметно у вольфрама.
Краевой угол смачивания пирографита расплавами Si - Mo (рис. 1.24, а) практически не зависит от концентрации молибдена в сплаве. В системе Si-W (рис. 1.24,6) имеет место небольшое уменьшение краевого угла с увеличением концентрации вольфрама.
Скорость растекания расплавов системы кремний - ниобий по стеклоуглероду (рис. 1.25, а) выше, чем скорость растекания по поверхности пирографита. Наибольшая скорость растекания наблюдается у чистого кремния, скорости ; растекания сплавов ниже и примерно одинаковы. Равновесный краевой угол смачивания стеклоуглерода жидким кремнием при температуре плавления устанавливается через 60 сек после расплавления и составляет 17.
Закономерности смачивания стеклоуглерода сплавами системы Sia аналогичны. В отличие от системы Si-Nb, краевые углы в данном случае незначительно увеличиваются с ростом содержания тантала в расплаве (см. рис. 1.22, б).
Для систем Si-Mo и Si-W скорость изменения краевых углов на стеклоуглероде значительно выше, чем на пирографита Конечный краевой угол смачивания стеклоуглерода расплавами Si - Mo и Si - W практически не зависит от содержания легирующей добавки.
Графит этой марки имеет значительную пористость (22-29%), в связи с чем процесс растекания по его поверхности жидких расплавов системы Si-Nb существенно отличается от растекания по практически беспористым пирографиту и стеклоуглероду. Скорость растекания как чистого кремния, так и сплавов по поверхности фафита марки ПРОГ-2400 (см. рис. 1.25, б) больше скорости растекания их по пирографиту и стеклоуглероду и практически не зависит от концентрации добавки в расплаве. Краевой угол смачивания этого графита жидким кремнием при 1410С меньше, чем у пирографита и стеклоуглерода; он составляет 9 и устанавливается через 100 сек после расплавления.
Уже при содержании 0,1% Nb в расплаве краевой угол уменьшается до нуля. В этом случае быстрое образование карбида ниобия на межфазной границе не препятствует соприкосновению новых порций расплава с графитовой поверхностью на передней кромке растекающейся с большой скоростью капли. Все остальные сплавы также растекаются по графиту ПРОГ-2400 в тонкую пленку (0 = 0). Для количественной оценки взаимодействия в исследованных системах рассчитаны величины работы адгезии Wa, значения которых представлены в таблице 1.5 1. Анализ теоретических и экспериментальных данных по поверхностному натяжению а сплавов на основе Pb, In, Cd показывает, что в литературе отсутствуют надежные данные по а сплавов на Pb, In, Cd со щелочными металлами, а влияние малых добавок щелочных металлов в системах Pb-Li, In-Na, Cd-Na в литературе не изучено. 2. Отсутствуют данные о политермах а в этих же системах. 3. Недостаточно данных по углам смачивания расплавами систем Pb-Li, In-Na, Cd-Na стали, пьезокерамик, графита.
В связи с этим в настоящей работе ставятся задачи изучить политермы и изотермы (в области малых концентраций) поверхностного натяжения систем Pb-Li, In-Na, Cd-Na и смачивание ими конструкционной стали 12Х18Н9Т и графита.
Температурная зависимость поверхностного натяжения расплава индий-натрий
В отличие от расплавов щелочных металлов, концентрационные зависимости поверхностного натяжения (ПН) сплавов с участием щелочных металлов изучены преимущественно в ограниченных концентрационных интервалах, чаще всего в виде малых добавок, число изученных подобных систем невелико [5]. Особый интерес вызывают исследования поверхностных свойств свинцово-литиевых сплавов доэвтектического и эвтектического состава, которые перспективны в качестве теплоносителей в ядерных установках.
Исследования поверхностных свойств расплавов с малыми добавками щелочных металлов важны также для разработки новых высокоактивных припоев и систем металлизации.
При этом использовались недостаточно очищенные металлы (и в частности литий), недостаточно учитывались процессы образования оксидов и изменение состава (за счет испарения щелочных металлов) в процессе исследований, недостаточно внимания уделялось использованию современных информационных технологий в измерениях поверхностных свойств металлических расплавов. Температурный интервал исследований был ограниченным, т.к. ранее использовались стеклянные приборы (из молибденового стекла).
Наибольшие затруднения подобных исследований связаны с тем, что в процессе изотермической выдержки возможно «улетучивание» добавки щелочного или щелочноземельного металла. Особенно эффект «выгорания» добавки проявляется, в тех случаях, когда измерение ПН проводятся на границе металл-вакуум, а не в среде инертных газов. При изучении углов смачивании, испаряющиеся высокоактивные металлы, могут осаждаться на подложках и капля металла, смачивает на самом деле гетерогенную поверхность, что приводит к появлению побочных «эффектов».
Многие эти недостатки были устранены в работе [164], где проводились предварительные исследования ПН в системе Pb—Li. Однако в работе [64] использовалась традиционная методика: фотографирование капель на фотопластинки, обмер профиля капли на микроскопе УИМ-21, число точек на графиках ограничено (с целью экономии фотопластинок). В настоящей работе фотографирование капель проводилось с использованием цифровых аппаратов, а обмер профиля капли с использованием ПЭВМ.
Твердые растворы получали сплавлением исходных чистых навесок свинца марки С0000, лития чистотой 99.8%, индия чистотой 99.999% , натрия чистотой 99.99%) и кадмия чистотой 99.9999% в стеклянных ампулах в атмосфере гелия. В твердых растворах с участием Pb-Li растворимость щелочных металлов мала, но концентрации твердых растворов выбирались ниже предела растворимости и контролировались по остаточному сопротивлению.
Слитки твердых растворов и образцы из них до проведения опытов хранились в вакуумном масле ВМ-1.
Измерения поверхностного натяжения проводили на высокотемпературной установке (с водоохлождаемым корпусом) методом большой капли [164] в атмосфере гелия с использованием графитовых подложек. В чашечку из графита капля сплава подавалась через стеклянную воронку с вытянутым капилляром. Перед измерениями камера откачивалась и создавался вакуум 10"Па. Затем напускался гелий и производилась откачка, после чего вновь напускался гелий.
Фотографирование жидкой капли производилось с помощью цифрового аппарата Kodak 6.IMP, а обработка и обмер профиля капли проводился с помощью ПЭВМ «Pentium-4» по методу Дорсея [172].
Необходимые для оценки ПН значения плотности оценивали по профилю капли методом [151] с использованием таблиц Башфорта-Адамса. Объем подложки калибровался но ртути. Перед фотографированием капля выдерживалась при постоянной температуре в течение 10 минут. После каждого опыта определялся коэффициент увеличения путем сравнения диаметра холодной капли с ее фотографией. Погрешность определения плотности будет при этом такая же, как и при определении объема, так как погрешность определения массы обычно мала, и ею можно пренебречь. В нашем случае погрешность определения плотности составляет 0.1 %.
Для выяснения степени взаимодействия исследуемых расплавов с графитовыми подложками предварительно проводились измерения температурных зависимостей краевых углов смачивания [177].
На рис. 3.1 приводятся политермы ПН расплавов Pb—Li, а на рис. 3.2 -политермы их плотностей, полученные в интервале от температуры плавления до 1000 С [170]. Из рис. 3.1 видно, что политермы ПН линейны. С увеличением температуры ПН понижается во всех исследуемых расплавах.
В табл. 3.1 приводятся уравнения политерм ПН, а в табл. 3.2 -плотности в интервале от температуры плавления до 1000 С, полученные методом наименьших квадратов.
Сравнение данных по ПН, полученных нами, можно провести для чистого свинца [4J. Литературные данные по а отличаются существенно друг от друга, так как используются различные методы измерений и подложки, в одних случаях измерения проводились в вакууме, в других, в атмосфере инертных газов. Кроме того, в опытах используется свинец разной чистоты. В работе [44] для свинца марки С00 при температуре плавления 327.5 С получено cr = 488.8 мН/м, da/dt = - 0.08 мН/мхК. К сожалению, в [44] не указана степень вакуумирования.
Зависимость углов смачивания расплавов индий-натрий настали 12Х18Н9Т и графите от температуры
Индий и его сплавы смачивают многие металлы, что используется в пайке. При конструировании припоев на основе с заданными свойствами необходимы падежные данные но политермам углов смачивания индиевыми расплавами и влиянию на них малых добавок примесных атомов, В работе [169] при изучении политерм углов смачивания индием марки ИН - 0 меди бескислородной (МБ) в вакууме (10"] Па) были обнаружены «температурные пороги», которые ранее наблюдались также в работах [137,170]. Обычно изучают влияние степени вакуумирования и состояние подложек на температуру образования порога, в меньшей степени уделяется влиянию примесей на порогообразование.
В данной работе изучаются температурные зависимости углов смачивания расплавами индий-натрий: In - 0.02ат.% Na, In - 0.1ат.% Na, In -0.3ат.% Na, In - 0.5ат.% Na поверхности стали 12Х18Н9Т.
Измерения угла смачивания 9 расплавами In-Na стали 12Х18Н9Т проводили в атмосфере гелия методом лежащей капли, (см. гл. 2) Перед фотографированием капля выдерживалась при постоянной температуре в течении 10 минут. После каждого опыта определялся коэффициент увеличения путем сравнения диаметра холодной капли с ее фотографией. Погрешность измерения угла смачивания составляла 1.3%.
Результаты измерений температурной зависимости углов смачивания 0 расплавами индий-натрий стали 12X18Н9Т показаны на рис.4.3.
Из рис. 4.3 видно, что в точке плавления расплавы In-Na не смачивают сталь (9 100). При нагревании углы смачивания снижаются и при определенных температурах определенных температурах наблюдается резкое снижение 0 и расплавы индий-натрий начинают смачивать поверхность стали (углы смачивания 0 падают до столь малых значений, что их трудно измерить).
Из рис.4.3 также видно, что наблюдаемые пороги смачивания зависят от концентрации Na в In. При этом в целом картина следующая: чем больше Na, тем ниже температура «порога». Однако из этой закономерности выпадает расплав In - 0.02ат.% Na. Это связано с концентрационной зависимостью ПН расплавов индий-натрий.
На рис. 4.4 показана, зависимость ПН, измеренная нами методом лежащей капли с использованием графитовых подложек при Т = 800С. Из рис. 4.4 видно, что при х = 0.02 ат.% наблюдается небольшой минимум на концентрационной зависимости а (х). А от а зависит движущая сила растекания.
При ограниченном смачивании движущая сила растекания, отнесенная к единице длины периметра смачивания равна [170] Ас = (атг - агж) - ажг -cosO.,, (4.1) где 0д - динамический краевой угол, зависящий от времени контакта твердого тела с жидкостью. ожг, а,,, атж - поверхностные натяжения на границе жидкость - газ, твердое - газ и твердое - жидкость соответственно. Из рис. 4.3 видно, что углы смачивания близки по своим значениям, поэтому, в соответствии с уравнением (4.1) при снижении ажг увеличивается движущая сила растекания, что и приводит к смещению порога смачивания для расплава In - 0.02ат.% Na.
Наличие же самих порогов объясняют как правило [137,169,170] частичным растворением подложки в жидких металлах. Края образующей лумки служат барьером для растекания. С ростом температуры движущая сила Да растет до некоторой критической величины, достаточной для преодоления этого барьера.
