Расплавленным алюминием

Наибольшее применение в качестве износостойких покрытий для материалов триботехнического назначения получили титансодержащие покрытия, в частности нитриды и карбиды титана. Нитриды характеризуются высокой твердостью, термо- и износостойкостью; они не взаимодействуют с расплавленными металлами и со многими агрессивными средами (H2SO4, HC1 и другие кислоты). Однако нитриды хрупки, имеют низкую стойкость против окисления, плохую сцеп-ляемость и высокий коэффициент теплового расширения. Карбид титана более стоек к окислению, чем нитрид, является хорошим проводником при высоких температурах, устойчив в среде азота при 2500°С, не растворяется в НС1.

Композиционные материалы представляют сочетание металлической основы (матрицы) и упрочняющего наполнителя — высокопрочных волокон (бора, вольфрама, молибдена и др.), пропитанных расплавленными металлами (кобальтом, алюминием и т. д.). Варьируя компоненты и их объемное сочетание, получают материалы с высокими механическими характеристиками, жаропрочностью и другими свойствами. Композиционные армированные материалы по прочности и износостойкости значительно превосходят стали и высококачественные сплавы.

Энергия вещества переносится с веществом, топливом, сжатой пружиной или сжатым газом, передвижением по канату груза или передачей жидкости на одном уровне от поверхности земли, конденсаторами, индуктив-ностями, инерционно-маховыми устройствами, расплавленными металлами высокой температуры, перегретыми жидкостями и т. д. Энергию полей переносят потоки их квантов — пи-мезонов, фотонов, гравитонов...

действие компонентов воспроизводят на массивных образцах композита и изучают образующуюся поверхность раздела (например, изучение смачивания/ пластин расплавленными металлами или диффузионной пары, образующейся между различными материалами). Другой подход состоит в исследовании типичных композитов, в которых заданное состояние поверхности раздела обеспечивается в процессе изготовления или последующей обработки. Каждый из этих подходов имеет свои сильные и слабые стороны.

В настоящей работе исследовались адгезия и взаимодействие тонких пленок молибдена, ванадия и железа, нанесенных на неметаллические материалы — А12О3 (сапфир), SiO2 (стекловидный кварц), графит; изучалась также смачиваемость этих металлизированных материалов расплавленными металлами (медью, серебром, оловом и свинцом) в зависимости ототолщины металлической пленки в области малых толщин /-/ 10—104 А. Последнее имеет большое значение при выборе на практике оптимальных толщин покрытий, так как толстые металлические пленки в основном имеют тенденцию к отслаиванию (разность коэффициентов терморасширения металла и неметалла). При малых же толщинах смачиваемость жидким металлом металлизированной поверхности может быть недостаточна.

При смачивании поверхности платиновой пластинки органическими растворителями и расплавленными металлами т составляет по порядку величины lO~'—10~2 сек.

Стойкость .силицидов снижается с уменьшением порядкового номера d-элемента, образующего силицид. Силициды легко разрушаются расплавленными металлами.

Сульфиды церия (CeS, Ce2S3, Ce3S4) достаточно огнеупорны и не реагируют с расплавленными металлами до 1600 °С в отсутствие окислительной среды.

МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ТЯЖЕЛЫЕ СПЛАВЫ — изготовляемые методом порошковой металлургии сплавы, обладающие плотностью свыше 16,5 г/см3. Основу М. т. с. составляет вольфрам, в их состав входят также кобальт, никель, медь, хром и др. компоненты. Спекание спрессованной смеси производится при темп-ре 1400—1700°. Иногда прессуют только вольфрамовый порошок и спрессованные изделия подвергают низкотемпературному спеканию с последующей пропиткой расплавленными металлами (кобальт, никель).

Для мебельной пром-сти, отделки помещений и других целей изготовляется Ф. облицованная, одна или обе рубашки к-рой являются строганым шпоном ценных пород. Для тех же целей вырабатывают декоративную Ф. с пленочным покрытием из синтетич. смол. Разновидности Ф.: металлизированная, армированная и огнестойкая. Металлизированная Ф. получается опылением ее поверхности разными расплавленными металлами. Армированной наз. Ф,, склеенная с листами металла (железом, сталью и др. материалами). Огнезащищенная Ф. пропитывается разными химич. солями, придающими ей огнестойкость. Шпон и Ф. легко поддаются гнутью и сохраняют приданную им форму. Это свойство используется при произ-ве клепки для бочек, а также фанерных труб и пр.

Для удовлетворения высоких требований, предъявляемых в машиностроении к углеграфитовым материалам, последние часто пропитывают расплавленными металлами (свинцом, оловом, баббитом, цинком, кадмием, алюминием и др.), окислами металлов или различными солями металлов. Пропитка осуществляется в вакууме или под давлением. Для правильного выбора металла в

При получении покрытия из расплава в ванну с расплавленным алюминием обычно добавляют кремний, чтобы затруднить образование слоя хрупкого сплава. Полученные из расплава покрытия используют для повышения устойчивости к окислению при умеренных температурах таких изделий, как отопительные устройства и выхлопные трубы автомобилей. Они стойки к действию температуры до 480 °С, При еще более высоких температурах покрытия становятся огнеупорными, но сохраняют защитные свойства вплоть до 680 °С [21]. Использование алюминиевых покрытий для защиты от атмосферной коррозии ограничено вследствие более высокой стоимости по сравнению с цинковыми, а также из-за непостоянства эксплуатационных характеристик. В мягкой воде потенциал алюминия положителен по отношению к стали, поэтому покрытие является коррозионностойким. В морской и некоторых видах пресной воды, особенно содержащих С1~ и SO4~, потенциал алюминия становится более отрицательным и может произойти перемена полярности пары алюминий—железо. В этих условиях алюминиевое покрытие является протекторным и катодно защищает сталь. Показано, что покрытие из сплава Al—Zn, состоящего из 44 % Zn, 1,5 % Si, остальное — Al, имеет очень высокую стойкость в морской и промышленной атмосферах. Оно защищает также от окисления при повышенных температурах.

Конечно, все системы третьего класса (а в этом отношении и системы второго класса) могут находиться в промежуточном состоянии, подобно системам псевдопервого класса, пока не разрушатся пленки, существующие на границе раздела матрицы и волокна. Поэтому композитные системы не всегда поддаются четкой классификации. Так, Годдард и др. [19] обнаружили в композите алюминий — углерод, полученном при температуре выше 970 К, фазу АЦСз, хотя при более низких температурах изготовления поверхность раздела оказалась стабильной. Из-за наличия реакции между А1 и С при высоких температурах эта система включена в третий класс. Напротив, при обычных температурах диффузионной сварки скорость растворения пленок в титане очень велика, и переходное состояние композитов с титановой матрицей, подобное системам псевдопервого класса, слишком кратковременно, чтобы его можно было обнаружить. По этой причине композиты с титановой матрицей включены в третий класс, а системы с алюминиевой матрицей, полученные диффузионной сваркой в твердом состоянии, отнесены к псевдопервому классу. В третий класс включена также система алюминий — двуокись кремния, поскольку единственный способ ее получения состоит в пропитке расплавленным алюминием, причем заведомо известно, что расплавленный алюминий реагирует с двуокисью кремния. Правда, исследователи из фирмы «Роллс-Ройс» (Англия) смогли затормозить реакцию, нанося на волокна перед протягиванием их через расплавленный металл химический ингибитор [4, 14], однако нет уверенности, что реакция была предотвращена полностью.

Рост зоны взаимодействия ограничивают с помощью ряда способов: выбирая матрицу с крайне низким содержанием легирующих элементов, участвующих в реакции, что приводит к ее быстрому прекращению (например, матрица Ni — 0,01% Ti, контактирующая с окисью алюминия [36]); уменьшая скорость диффузионного переноса путем контроля концентрации вакансий в продукте реакции [33]; выводя один из растворенных в матрице элементов из области, расположенной перед фронтом распространения реакции [6]. Еще один подход связан с разработкой покрытий, переводящих систему из третьего класса в первый, например, защита бора нитридом бора, позволяющая получать композит путем пропитки расплавленным алюминием [9].

Способ изготовления композита заметно влияет на характеристики поверхности раздела. Композиты алюминий — бор, полученные путем пропитки расплавленным алюминием, принадлежат к третьему классу; им присущи неравномерная коррозия волокна и неравномерный рост борида алюминия (рис. 6). Напротив, в композитах, изготовленных по оптимальной технологии диффузионной сварки, не происходит реакции на поверхности раздела; на рис. 7 виден лишь один случайный кристалл борида. Для выяснения причин этого различия следует рассмотреть механизм диффузионной сварки. Такое рассмотрение послужит поводом для более общего анализа влияния технологии изготовления- композита на характеристики поверхности раздела. ,

Механическая связь возникает в том случае, когда упрочни-тель имеет шероховатую поверхность. Такую поверхность имеют борные и другие волокна, выращенные осаждением из пара. Хилл и др. [16] исследовали этот тип связи, измеряя прочность армированного вольфрамом алюминия с различными степенями механического сцепления. Вольфрамовую проволоку диаметром 0,203 мм стравливали до 0,155 мм на длине 2,5 мм, оставляя диаметр неизменным на длине 0,63 мм. Композит с 12% волокна изготовляли путем вакуумной пропитки расплавленным алюминием. По результатам испытаний на продольное растяжение были оценены три состояния материала (табл. 1).

Особый случай представляет собой образование связи между алюминиевой матрицей и волокнами бора или карбида кремния. Работы, проведенные в лаборатории автора, показали, что многие особенности связи в этих системах можно объяснить, предположив образование связи между естественными окисными пленками на поверхности алюминия и, соответственно, пленками окиси бора или окиси кремния на волокне. Кажущаяся инертность алюминия в контакте с бором объясняется связью через окиеные пленки, поскольку при непосредственном соприкосновении эти элементы легко вступают в реакцию. Такое взаимодействие происходит в случае пропитки расплавленным алюминием, который разрушает окисную пленку путем высокотемпературной эрозии или другого подобного механизма. Для описания таких композитов в гл. 1 введен термин «системы псевдопервого класса». Веские доказательства в пользу этой модели получены Кляйном и Меткалфом 18] в опытах по извлечению окисной пленки.; В дальнейшем существование окисной связи и присутствие окисных пле-

Борные волокна с покрытием из нитрида бора оказались весьма стабильными в контакте с расплавленным алюминием. Кэй-мехорт [8] -показал, что до тех пор, пока сохраняется целостность этого покрытия, борное волокно остается неповрежденным в расплаве алюминия при 1073 К. На основании этих данных был разработан способ изготовления композитов А1—В путем пропитки волокон расплавленным металлом. Форест и Кристиан [11] исследовали сдвиговую и поперечную прочности композита, состоящего из борных волокон с нитридным покрытием и матрицы из алюминиевого сплава 6061. Материал был изготовлен диффузионной сваркой. Прочность этого композита на сдвиг оказалась меньше, а поперечная прочность — существенно меньше, чем материалов, армированных волокнами бора и борсика. Такие низкие значения прочности, возможно, обусловлены слабой связью между нитридом бора и алюминием, хотя в работе отсутствуют данные о характере разрушения, которые могли бы подтвердить это предположение. Связь между алюминием и борным волокном с покрытием из карбида кремния в меньшей степени зависит от способа изготовления материала. По заключению авторов цитируемой работы, наиболее удачное сочетание механических свойств имеет композит алюминиевый сплав 6061'—непокрытое борное волокно, закаленный с 800 К с последующим старением.

В диапазоне углов 6<90°, в котором происходит описанное Чэмпионом и др. [11] явление растекание — стягивание, у-А12О3, на поверхности восстанавливается и переходит в шпинель с недостатком кислорода, содержащую ионы А12+. Структура этого тип;/ образуется при низком парциальном давлении кислорода и высокой температуре (Г> 1200 К), когда скорость реакции велика. Величина YT соответствует полученному Кинджери [21] значению 0,905 Дж/м2, и на поверхности идет реакция с расплавленным алюминием. Бреннан и Паск [5] предположили, что при этом образуется летучий окисел АЬО. Это предположение согласуется с данными указанной выше работы [11]. Механизм процесса не вполне ясен. Возможно, соединение А1О (шпинельного типа с недостатком кислорода) реагирует на поверхности с алюминием, образуя А12О, и это вызывает растекание. По мере испарения алюминия в виде АЬО запас ионов А12+ восполняется, что приводит к стягиванию капли со все уменьшающимся диаметром. В этих исследованиях связь между чистым алюминием и окисью алюминия была хорошей всюду, за исключением области больших значений тупого угла. Таким образом, смачивание не является необходимым условием образования связи. В работе Чэмпиона И:Др. [1-1] состояние поверхности раздела между А12Оз и сплавами обычно значительно хуже, чем в случае чистого алюминия: наблюдалось образование пузырей и трещин в сапфире.

Как и при горячем цинковании, сталь подвергается травлению, предварительному флюсованию, а затем погружается в ванну с расплавленным алюминием, во время реакции с которым образуются слои сплавов алюминия с железом, а при удалении из ванны — покрытие из чистого алюминия. Однако этот процесс является более сложным по сравнению с горячим цинкованием из-за двух основных факторов: более высокой точки плавления алюминия и большей скорости образования окиси алюминия. Для получения достаточной текучести расплавленного алюминия рабочая температура должна поддерживаться на уровне выше 700° С. Мгновенная реакция между железом и алюминием при этой температуре приводит к образованию хрупкого интерметаллида. Окись алюминия, покрывая поверхность стали, погруженной в ванну, мешает образованию металлического покрытия. Прожилки окиси алюминия могут загрязнять поверхность покрытия при удалении изделия из ванны.

Характеристика поверхностей раздела будет полней, если рассмотреть вопрос о природе сил связи между волокном и матрицей. Тип связи в композиционных материалах, естественно, зависит от технологии их получения. Например, если композиция алюминий—борное волокно получена заливкой пучка волокон расплавленным алюминием, то она относится к третьей группе, и связь в ней осуществляется в результате химической реакции борного волокна с расплавом алюминия: волокно частично растворяется с образованием диборида алюминия А1В2. Однако если эта же композиция получена по оптимальной технологии горячего прессования, то она имеет все характеристики псевдопервой группы,

К одному из первых полученных этим способом материалов можно отнести полуфабрикат, состоящий из моноволокна кварца (или стекла), пропущенного через ванну с расплавленным алюминием. Такая композиционная нить состоит из 50 об. % металла и 50 об. % кварца [121].