3. Смачивание стали расплавленными алюминием

В авиационной и химической промышленности, машиностроении, ракетной технике, судостроении и других областях все большее распространение получают легкие сплавы, в частности сплавы на основе алюминия АМц, АМг5, АМгб, 1915 и др. Широкому распространению их во всех областях народного хозяйства способствует то, что наряду с малой плотностью эти сплавы обладают хорошей тепло- и электропроводностью при относительно высокой удельной прочности, приближаясь по этому показателю к лучшим сортам сталей. Однако вследствие более низкой прочности алюминиевых сплавов по сравнению с конструкционными сталями, низкой температуры плавления, малой твердости и сравнительно плохой износостойкости применение их требует увеличения толщины отдельных узлов конструкции. Вместе с тем известно, что любая конструкция при эксплуатации испытывает в разных участках не одинаковые по величине напряжения: в одних местах достигаются предельно допустимые величины напряжений, в других напряжения почти отсутствуют. Поэтому наибольшей эффективности в работе отдельных частей и всей конструкции при одновременном снижении массы можно достигнуть применением разнородных металлов в отдельных ее частях. В этом отношении особенно целесообразно изготовление сварных сталеалюминиевых конструкций. В данном случае наиболее полно используются свойства, присущие каждому металлу. Необходимость сварки алюминия и его сплавов со сталями различных классов возникает при изготовлении самых разнос бразных объектов: летательных аппаратов, сосудов химического машиностроения, в судостроении, реакторостроении, в строительной индустрии, при электролизе алюминия, при изготовлении товаров широкого потребления и многих других областях техники. Возможность соединения столь различных по своим свойствам металлов имеет большое народнохозяйственное значение. Например, для различных машин и оборудования новейшей техники, работающих в специфических условиях, получение качественного сварного соединения нержавеющей стали с алюминиевыми сплавами является первостепенной задачей.

Одним из самых распространенных способов соединения сталей различного класса с алюминиевыми сплавами является сварка-пайка. Поэтому рассмотрим процессы смачивания в этой паре более подробно.

Сведения о смачиваемости железа (стали) расплавленным алюминием немногочисленны [99, 106, 257]. Растекание жидкого алюминия по поверхности железа отличается от растекания других металлов, в частности, тем, что алюминий покрыт плотной пленкой оксида, которая имеет высокую температуру плавления (около 2323 К) и весьма устойчива. В результате этого практически имеется совокупность не трех, а четырех фаз: газовая фаза — глинозем — расплавленный алюминий — железо. Хотя присутствие пленки глинозема может тормозить процесс растекания, благодаря ее неоднородности и дефектности [30] многие жидкие металлы очищаются от нее, особенно с повышением температуры.

Поданным А. Бонди и Ю. В. Найдича [172], величина поверхностного натяжения алюминия при 973 К составляет 900 мДж/м2, поверхностное натяжение А1203 при 2323 К равно 580 мДж/м2. При изучении смачиваемости и растекания алюминия подругам металлам нельзя ис ходить только из величин удельных межфазных свободных энергий компонентов, как это делается во многих случаях, не только из-за наличия слоя А1208. Необходимо учитывать также, что в таких системах имеет место сильное химическое взаимодействие, из-за которого свойства контактирующих фаз заметно изменяются в зависимости от времени контакта.

Основным параметром, характеризующим взаимодействие жидкого металла (алюминия) со сталью, является смачивание.

Рассмотрим поверхностные явления при непосредственной сварке алюминия с армко-железом. Кинетика растекания алюминия по железу изучалась в вакууме с давлением (1.3) - 1,33 МПа при максимальной температуре опыта на установке, описанной в работе [100]. Поскольку система железо — алюминий отличается большой реакционной активностью, для характеристики контактного взаимодействия необходимо получить данные о растекании при малом времени контактирования. Поэтому опыты проводили, нагревая раздельно смачиваемый образец (цилиндр диаметром 10—15 мм) и навеску алюминия (0,03 г), и только по достижении заданных вакуума и температуры приводили их в контакт. Этому моменту предшествовало начало киносъемки. Смачивание оценивалось по краевому углу 6, а скорость растекания — по изменению площади контакта (S « d2) во времени т.

В опытах применяли алюминий АВ000 (99,99 % AI) и армко-желе-зо. Перед опытом поверхность смачиваемого образца шлифовали, полировали, промывали бензином и спиртом, затем образец отжигали в вакууме при 1273 К и охлаждали с печью.

Полученные кинетические зависимости краевого угла смачивания железа алюминием от времени т при температуре 973, 1023, 1073, 1173 К представлены на рис. 53. Как следует из опытных данных, система железо — алюминий характеризуется удовлетворительным смачиванием (6 90°), высокой скоростью растекания и сильной адгезией алюминия к железу.

Капля растекается, образуя пятно круглой формы. При продолжительности контактирования 10—30 с (в зависимости от температуры опыта) вокруг капли появляется ореол в виде тонкой пленки. Когда время контактирования возрастает до 0,5—3 мин, растекание прекращается и капля, теряя вид шарового сегмента, приобретает цилиндрическую форму.

Изменение пятна капли подчиняется параболической зависимости d2 = кт, где k — коэффициент пропорциональности, характеризующий скорость растекания алюминия по железу в изотермических условиях.

С повышением температуры растекание ускоряется. Вычисленная по температурной звисимэсти скорости растекания эффективная энергия активации процесса составляет 75 кДж/(г • ат).

Работа адгезии алюминия к железу, оцененная по уравнению (1.6) значительна и составляет 1300—1500 мДж/м в интервале 973—1173 К.