Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Пропитка пористых тел

02.05.2019


Если пористую заготовку привести в соприкосновение с жидким металлом или сплавом, который хорошо смачивает материал пористого тела, произойдет пропитка — жидкий расплав заполнит поры заготовки. Термодинамическое условие пропитки можно получить из самых общих соображений (в результате заполнения пор жидкостью свободная энергия системы должна уменьшаться), легко показать, что это условие выражается в виде
Пропитка пористых тел

или с учетом соотношения (IV.27) условие самопроизвольной пропитки будет выглядеть так:

Поскольку oж всегда больше нуля, то условием осуществления пропитки является величина краевого угла, при v<90° (жидкость смачивает твердую поверхность) пористые тела будут пропитываться, а при использовании жидкостей, которые образуют краевой угол более 90°, пропитка происходить не будет. Так, пористые тела из Al2O3 невозможно пропитать жидкими металлами группы железа (см. табл. 50).

Анализ выражений (IV.32 а, б) показывает, что, уменьшая межфазную поверхностную энергию (уменьшая краевой угол), можно улучшить условия пропитки. Обыкновенно это осуществляется применением разного рода добавок, снижающих величину oтж. Так, в производстве контактных материалов, получаемых пропиткой вольфрама серебром, для улучшения пропитываемости пористых заготовок используют легирование поверхности частиц вольфрама никелем. Видимо, растворимость серебра в сплаве W—Ni несколько больше, чем в вольфраме, что и обеспечивает уменьшение краевого угла.

Другой добавкой, снижающей отж является кислород. Например, как показано в работе, добавки 2—3 ат.%: О к жид. кой меди уменьшают краевой угол на подложках из Al2O3 и MgO в два раза. Смачиваемость окислов жидкими металлами в которых содержится кислород, резко улучшается, что может быть использовано в целях интенсификации пропитки. В общем случае, однако, закономерности изменения межфазной поверхностной энергии изучены недостаточно детально.

Для количественного описания процесса пропитки пористое тело обычно моделируется системой параллельно идущих капилляров с некоторым эффективным радиусом. Течение жидкости в них принимается ламинарным, и при использовании закона Пуазейля толщина пропитанного слоя оказывается зависящей от времени по закону

где величина А в зависимости от характера предположений может иметь различное значение. Так, по данным,

где rэ — эффективный радиус капилляров.

Б.В. Дерягин, не задаваясь какой-либо моделью пористого тела и принимая, что убыль свободной энергии при смачивании идет на преодоление внутреннего трения жидкости при ламинарном движении, получил аналогичную зависимость скорости пропитки от времени с той только разницей, что величина А оказалась равной VКS/02 ож cosv, где К — коэффициент фильтрации, S — удельная поверхность пор, 0 — пористость. В работе отмечается, что при вычислении коэффициента фильтрации по Пуазейлю выражение для А получается такого же вида, как и соотношение (IV.33б). Удобством подхода является отсутствие модельных представлений и связанных с этим допущений о величине эффективного радиуса капилляра. Однако отсутствие сведений о коэффициенте фильтрации жидких металлов в пористых телах затрудняет расчеты по методу.

Экспериментальные исследования пропитки пористого железа жидким медно-железным сплавом, серебром, свинцом, а также пропитки никелевых пористых тел свинцом и серебром обнаружили, что в общем ход пропитки подчиняется зависимости вида (IV.33а). На рис. 195, по данным, приведены изотермы пропитки пористого железа (пористость около 67%) свинцом. Величина Am/D2 (отношение привеса в результате пропитки к квадрату диаметра образца) пропорциональна толщине пропитанного слоя. Изучение влияния дисперсности порошков и пористости брикетов показало, что скорость пропитки растет с увеличением пористости и размера пор. Таким образом, качественно положения капиллярной теории пропитки подтверждаются.

Количественная оценка скорости пропитки железа медножелезным сплавом обнаружила расхождение экспериментальных и расчетных результатов в полтора раза, что может быть признано удовлетворительным в связи с трудностью точного определения эффективного радиуса пор. Однако согласие теории с экспериментом бывает значительно хуже при низких температурах; это связано с тем, что краевой угол достигает своего равновесного минимального значения, которое принимается при расчетах, при высоких температурах значительно скорее, чем при низких, т. е. ошибка в расчетах в последнем случае больше. Так, равновесное значение краевого угла (v = 23°) жидкого серебра на железе при температуре плавления серебра устанавливается за 30—40 мин., а при температуре 1100° — за 5—10 мин. Поскольку пропитка осуществляется в течение нескольких минут или даже десятков секунд (в этом основное преимущество пропитки перед длительными процессами спекания), вполне понятно, что роль нестационарных процессов, приводящих к изменению краевого угла, велика. Как отмечают В.Н. Еременко и Н.Д. Лесник, в изменении скорости пропитки в зависимости от температуры и времени процесс растекания жидкости по поверхности пропитываемого тела оказывает гораздо более существенное влияние, чем изменение вязкости с температурой. Количественно связь кинетики растекания с кинетикой пропитки еще подлежит изучению.

Наличие взаимной растворимости между пропитываемыми материалами не сказывается существенно на закономерностях пропитки. Так, скорость пропитки никеля свинцом и насыщенным сплавом никеля в свинце оказалась одинаковой. Ho На практике в большинстве случаев используют пропитку насыщенными растворами с целью предотвращения разъедания пористого каркаса со стороны проникновения жидкого металла. Помимо этого, применение взаимнонасыщенных растворов железа и меди, как было показано И.Н. Францевичем и О.К. Teодорович, обеспечивает получение железо-медных композиций с повышенными характеристиками пластичности и динамической прочности при нормальных и особенно при повышенных температурах, по сравнению с теми же свойствами железо-медных пропитанных сплавов, изготовленных из чистых железа и меди.

В табл. 51 приведены свойства железо-медных композиций, изготовленных по двум разным технологиям. Отличие в свойствах связано со строением межфазных границ, которые в случае применения в качестве исходных компонентов чистых железа и меди имеют несовершенное строение благодаря образованию пор и других дефектов при взаимной диффузии в паре Cu—Fe. Наличие такого рода дефектов в первую очередь сказывается на пластических и динамических свойствах, статическая прочность либо не изменяется вовсе, либо даже повышается (несовершенства затрудняют распространение сдвиговой деформации). Микроструктура железо-медных образцов, полученных пропиткой, аналогична таковой для сплавов, полученных спеканием: округлые зерна железа, расположенные в медной матрице.

Остановимся кратко на практическом осуществлении пропитки. Этот технологический процесс получил пока наибольшее распространение в изготовлении контактных материалов типа W—Ag (Cu), Mo—Ag (Cu) в получении железо-медных и железо-латунных композиций для конструкционных изделий. Имеются сведения о получении твердых сплавов путем пропитки. Пористые заготовки из тугоплавкой составляющей кладутся на таблетки из прессованной стружки или из литого металла, которым осуществляется пропитка, и продвигаются в разогретую печь с защитной атмосферой на 20—30 мин. Сам процесс пропитки, как уже отмечалось, длится недолго, но нужно обеспечить хороший прогрев заготовок, а также дать некоторую выдержку для гомогенизации в случае взаимной растворимости компонентов. Так, для железо-медных композиций длительность пропитки составляет 5 мин. на каждый сантиметр толщины упакованных в глинозем изделий. Температура пропитки для контактных материалов составляет 1150°, пропитка железа медью осуществляется при температуре 1100—1120°, латунью — при 950—1000° Нижнее или верхнее расположение пропитываемого материала не имеет значения, ибо влияние веса по сравнению с капиллярными силами пренебрежимо мало. Технологически иногда удобнее проводить пропитку снизу, ибо при верхнем расположении пропитываемого металла он часто растекается по боковым граням детали.

Заготовки тугоплавкой составляющей обычно перед пропиткой не спекаются, целесообразно в процессе нагрева их до температуры пропитки сделать небольшую выдержку с целью гомогенизации и для удаления окислов и других примесей с поверхности частиц, что облегчает пропитку. В работе по изучению пропитки железных порошков 50%-ным сплавом Pb—Sn установлено, что предварительная обработка порошковых частиц кселеном, хлоридом цинка, раствором аммиака значительно ускоряет пропитку; это связывается с облегчением рафинирования поверхности частиц от кислорода и азота. Пропитка железа в водороде также оказалась эффективнее, чем в вакууме и в инертных газах, за счет восстановительного действия водорода. При пропитке изделий, содержащих трудновосстановимые окислы, которые плохо смачиваются, целесообразно, как уже отмечалось, в пропитывающий металл для снижения межфазной поверхностной энергии вводить кислород.

На практике часто для улучшения прессуемости тугоплавкой составляющей в нее вводят некоторое количество порошка пропитывающего металла (например, в производстве контактных материалов на основе вольфрама). Таким образом, процессы спекания с жидкой фазой и пропитки совмещаются.

В заключение целесообразно сравнить преимущества и недостатки пропитки по сравнению с другими методами спекания. Основным преимуществом пропитки является кратковременность процесса и возможность получения беспористых тел. Спеканием в присутствии жидкой фазы тоже можно получить изделие с плотностью, близкой к теоретической, но это в большинстве случаев требует гораздо более высоких температур и длительных выдержек (а иногда и дополнительных операций прессования и спекания), чем в случае пропитки. Легкоплавкую составляющую при пропитке не обязательно иметь в виде порошка, можно воспользоваться литым металлом или прессованной стружкой. Метод пропитки также не требует сложного прессового оборудования, ибо пористость заготовок для пропитки обычно не ниже 15—25%.

Однако, как и всякий другой вариант металлокерамической технологии, пропитка не является универсальным методом. Пропиткой нельзя получить изделия с малым содержанием пропитывающего металла. При наличии взаимной растворимости между компонентами для пропитки надо использовать насыщенные растворы. Наконец, необходимо, чтобы температуру плавления компонентов заметно отличались и жидкая фаза смачивала твердую. Киффер и Бенесовский отмечают также, что образование при пропитке эвтектик, твердых растворов и интерметаллических фаз иногда нежелательно в связи с возможными объемными изменениями, которые могут препятствовать пропитке. Это накладывает ограничение на выбор компонентов для пропитки. Тем не менее преимущества метода пропитки очевидны, и можно надеяться, что его промышленное применение будет расширяться, особенно при получении материалов на основе тугоплавких соединений с металлическими связками.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: