Поверхностные явления в расплавах
Попель С.И.
Металлургия, 1994 г.
Смачивание металлическими расплавами графита, алмаза, бора
Контакт графита с металлическими расплавами имеет место при жидкофазном спекании, при пайке, при металлизации графитовых нитей, в ядерных реакторах с жидкометаллическими теплоносителями. Металлические припои используют для закрепления и повышения долговечности алмазов в абразивных инструментах. Бор применяют в качестве прочнителя композиционных материалов. Поскольку полнота смачивания и прочность сочленений в значительной степени определяют качество и долговечность соответствующих композитов, определению краевых углов и адгезии фаз уделяется большое внимание. Сравнительно полный анализ опытных данных проведен Ю.В.Найдичем [548], поэтому кратко отметим лишь некоторые особенности. Графит сочетает ковалентные связи со слабо выраженной метал личностью. Алмаз и бор являются типичными ковалентными кристаллами. Причем алмаз, как модификация термодинамически неустойчивая при обычных давлениях, в контакте с металлическими расплавами выше 1473 К начинает превращаться в графит. Металлы побочных Б подгрупп IV—VI периодов Периодической системы элементов Д.И.Менделеева (Cu, Аr, Аu, Сa, Sb, Pb и др.) слабо взаимодействуют с углеродом и бором, поэтому при небольших перегревах над точкой плавления плохо смачивают алмаз, графит и бор. Краевые углы находятся в пределах 120—150°, а адгезия фаз редко превышает 300 мДж/м2. Железо, кобальт, никель в жидком состоянии интенсивно взаимодействуют с бором и углеродистыми материалами и хорошо смачивают их. Контактные углы не превышают 50°. Однако смачиваемость следует относить к равновесным фазам. Для чугунов , насыщенных углеродом, краевые углы составляют 110—120°. По-видимому, поверхностные слои металлов, насыщенных углеродом, формируют графитоподобные ковалентные связи, вследствие чего- взаимодействие этих слоев с поверхностью оказывается слабым. Более интенсивно взаимодействуют с графитом и алмазом карбидообразующне элементы (Сr, Ti, V). Однако их карбиды характеризуются высокими температурами плавления, поэтому смачиваемость чистыми карбидами не исследовали. Обычно такие элементы вводят в состав припоев для пайки графита [548].
Смачивание металлами карбидов, боридов и нитридов
Вследствие высокой твердости тугоплавкие карбиды, бориды и нитриды используют при производстве абразивных и других композитных материалов с металлами. Эти материалы обычно получают методами пропитки и жидкофазного спекания, поэтому изучению их смачивания и определению адгезии фаз уделяется большое внимание. Соединения углерода, бора и частично азота с переходными менялами образуются смешением валентных электродов этих элементов в незаполненную ^-полосу металла, вследствие чего они обладают металлическими свойствами и, подобно металлам, сравнительно хорошо смачиваются металлическими расплавами, особенно расплавами переходных металлов. По мнению В.Г.Самсонова [601] способность к смачиванию таких карбидов, боридов и нитридов возрастает с повышением акцепторной способности атома, входящего в состав соединения. Опытные данные [548, 553] и полученные в последние годы в большинстве случаев подтверждают эти выводы. Так, вблизи температуры плавления никель образует на подложках из TiC, VС, NbС и их сплавов углы, не превышающие 20°, а на подложках TiС—ZrС— до 30°. Железо и кобальт на подложках из карбида титана, ванадия, циркония формируют углы, не превосходящие 45°. Сплавы никеля с титаном и хромом, ванадием и другими переходными металлами на этих подложках— углы < 25°. Хорошо смачивают карбид вольфрама железо, марганец, никель, кобальт и другие переходные металлы.
Металлы побочных подгрупп Периодической системы элементов Д.И.Менделеева хуже смачивают карбиды. Бориды обычно смачиваются хуже карбидов, а нитриды — еще хуже. Так, железо, кобальт и никель образуют вблизи точек плавления углы соответственно 55; 39 и 42°, а медь— 123°.
Нитриды титана, циркония, ниобия, хрома и др. в аммиаке плохо смачиваются медью, железом кобальтом и их сплавами, тогда как в вакууме смачивание оказывается положительным. Случаи плохого смачивания не получили соответствующего объяснения. По-видимому, поведение азота близко к поведению кислорода. Имея высокую электроотрицательность, он, в отличие от углерода и бора, не передает своих валентных электронов соответствующему металлу, а больше стягивает к себе их электроны. Как общую тенденцию можно отметить улучшение смачивания с повышением химического сродства соответствующего металла к металлоиду.