Влияние состояния поверхности твердого тела на характеристики смачивания его расплавом Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

результатом термоэлектрического действия потока электронов на материал (как при образовании жидкой фазы в поверхностном слое, так и без нее). Показано, что прочность модифицированного поверхностного слоя стекла зависит от режима охлаждения. Механизм остаточных напряжений использован для направленного отслаивания участков модифицированного поверхностного слоя в виде пластин необходимой формы.

Ключевые слова: электронно-лучевая обработка, оптическое и техническое стекло, поверхностный слой, шероховатость поверхности, качество поверхности, глубина проплавления, остаточные напряжения.

Kanashevich G. Tensions in optical glass from the thermoelectric impact of electronic flow

The character of the residual stress in the surface layer of the optical glass plates K8, which result from thermoelectric effects in electron beam processing of the surface was defined. Residual stresses in the surface layer of optical glass is characteristic result of the thermoelectric action on the material the electron beam (as in the formation of a liquid phase in the surface layer, both with and without it). It is shown that the strength of the modified surface layer of glass depends on the cooling mode. The mechanism of residual stresses is used for directed exfoliation of the surface-modified layer in the form ofplates required shapes.

Key words: electron beam processing, optical and technical glass, the surface layer, surface roughness, surface quality, depth of penetration, residual stresses.

УДК 532.64:541.1

Д-р техн. наук О. Г. Быковский, канд. техн. наук В. Е. Самойлов, д-р техн. наук В. Е. Ольшанецкий, А. Н. Лаптева, А. В. Бусов, Д. Я. Воронин

Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье

ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СМАЧИВАНИЯ ЕГО РАСПЛАВОМ

На специальной установке по определению поверхностных явлений методом лежащей капли проведены исследования смачивания алюминием А0, бронзой БрКмц3-1, сталями 100Х15М2Г2Р и 07Х20Н9Г7Тстальной Ст3 и титановой ВТ1-0 подложках с гладкой после прокатки и дробеструенной поверхностью. Установлено, что во всех случаях краевой угол смачивания расплавами подложек меньше на шероховатой поверхности по сравнению с гладкой. На титановой подложке в тех же комбинациях он меньше по сравнению со стальной вследствие большей химической активности титана и образования промежуточных соединений с меньшей вязкостью. Это связано со снижением поверхностной энергии контактной зоны из-за дрейфа атомов внедрения (прежде всего) к поверхности раздела.

Ключевые слова: шероховатость, краевой угол смачивания, адгезия, когезия, поверхностное натяжение, лежащая капля.

Введение

Нанесение плазменных покрытий на детали машин сопровождается воздействием высокотемпературной плазменно-металлической струи на твердую подложку, когда за несколько проходов, последовательно слой за слоем, формируется покрытие заданной толщины.

При этом температура струи значительно превышает температуру кипения наносимых материалов, что обуславливает не только высокую степень перегрева ее металлической составляющей, но и частичное превращение ее в парообразное состояние. В результате на подложке образуется псевдосплав, отличающийся

своими физико-механическими свойствами от литого сплава аналогичного состава.

Напыляемая поверхность с целью ее активирования часто подвергается предварительной механической обработке путем создания шероховатости различными способами (рис. 1).

Считается, что таким образом создаются условия для лучшего механического закрепления напыляемых частиц на поверхности, однако роль поверхностных явлений на границе раздела жидкая фаза - твердая подложка при плазменном напылении является более сложной.

© О. Г. Быковский, В. Е. Самойлов, В. Е. Ольшанецкий, А. Н. Лаптева, А. В. Бусов, Д. Я. Воронин, 2013

56

Рис. 1. Вид сверху (а) и профилограмма* (б) дробеструенной поверхности стали Ст 3

* Снята профилографом — профилометром з-да «Калибр» модель 170311 с компьютерной обработкой данных

Немногочисленные исследования по смачиванию твердых тел с различной шероховатостью жидкими сплавами не дают однозначного результата.

Целью работы было исследование характера взаимодействия капель жидкого сплава в зависимости от состояния поверхности твердой подложки различного состава: гладкой после прокатки и подвергнутой дробеструйной обработке с Вз, = 90 мкм.

Материалы и методика исследования

Исследование поверхностных явлений проводили на специальной установке для определения поверхностного натяжения методом лежащей капли (рис. 2).

Опытный образец из исследуемого материала* (табл. 1) в виде цилиндра диаметром 7 мм и высотой 7 мм, переплавляемый в каплю 8, ставили основанием на подложку 9 из стали Ст 3 или титана ВТ 1-0 размером

*Приведенные материалы применяются для плазменного напыления коррозионностойких и износостойких поверхностей в металлургии, энергетике и электротехнике.

20x20x2 мм, находящуюся на подставке 10, и помещали в печь из кварцевого стекла 2. Печь герметично закрывали и пропускали через реакционную камеру 7из баллона 6 аргон. Водяной затвор 11 обеспечивал герметичность на выходе инертного газа. В целях устранения влияния состава среды на характеристики растекания проводили постоянную очистку аргона от примесей. Нагрев подложки и опытного сплава осуществляли одновременно с помощью индуктора 3 от лампового генератора 4 на режиме: анодный ток = 1,12 А; ток сетки = 0,16 А; частота 440 кГц.

Специальный проектор 1 обеспечивал необходимую подсветку, а сам процесс нагрева, плавления и растекания каждого сплава на подложке фиксировали с помощью видеокамеры «Canon 500d» со скоростью 25 кадров в секунду с последующим анализом результатов на компьютере с помощью мультимедийного плеера и диспетчера рисунков «MicrosoftOffice».

Изучение характера смачивания и растекания проводили на распечатанных снимках размером 25x18 см, где четко фиксировались во времени различные стадии

Рис. 2. Схема установки для определения поверхностного натяжения

процесса (начало плавления, растекание жидкой фазы, кинетика растекания и т. п.) (рис. 3). Краевой угол смачивания измеряли с точностью до 0,5°, а линейные размеры капли с точностью до 0,1 мм. Во всех случаях длительность опытов на стальной подложке была принята одинаковой для каждого сочетания сплав - необработанная подложка и сплав - дробеструенная подложка и составляла для бронзы Бр КМц 3-1 - 13 с, алюминия А0 - 10 с, сплава 100Х15М2Г2Р - 15 с, сплава 07Х20Н9Г7Т - 20 с, а на титановой подложке для бронзы Бр КМц 3-1 - 17 с, алюминия А0 - 13 с, сплава 100Х15М2Г2Р - 16 с.

Рис. 3. Последовательность превращения образца в жидкую каплю: а - исходное состояние; б - растекание жидкой фазы; в - образование жидкой капли

Для определения поверхностных характеристик измерялись размеры капли (рис. 4).

Поверхностное натяжение материала образцов на границе жидкость-газ определяли из уравнения:

Рис. 4. Схема расположения капли на твердой подложке:

dl- максимальный диаметр капли; к - расстояние от максимального диаметра до вершины капли; 6 - краевой угол смачивания; стж-г - поверхностное натяжение на границе раздела жидкость-газ; стт-ж - поверхностное натяжение на границе твердое тело-жидкость; ст поверхностное натяжение на границе твердое тело-газ

стж—г = d2 ~'АР-Я [1], Н

(1)

где dэ = — - экваториальный диаметр капли, см; d, -

м 1

диаметр капли на снимке, см; М = - масштаб эксперимента; Б - диаметр образца на снимке, мм; d -

1

диаметр исходного образца, мм; — - функция в зави-

Н

симости от соотношения ~, выбирается в соответствии с [1]; Лр робразца рАг , где робразца - плотность материала образца при температуре плавления, г/см3; раг - плотность аргона, г/см3; g - ускорение силы тяжести (981 г/см2).

При этом работу адгезии оценивали по формуле:

Аадг = У ж — г ' (1 + СОв

работу когезии по зависимости

Аког = 2У ж—г .

(2)

(3)

Здесь У - величина, эквивалентная поверхностной энергии (при повышенной температуре).

Результаты и их обсуждения

Анализируя данные таблицы, можно сказать, что во всех случаях исследованные сплавы лучше растекаются на шероховатой (развитой) поверхности, чем на гладкой поверхности твердого тела независимо от его состава. Это можно связать с тем, что поверхность, подверженная дробеструйной обработке, активируется в результате процессов экструзии и интрузии металла под действием механической деформации.

б

в

Таблица 1 - Влияние материала образца и подложки на характеристики смачивания

Материал

Подложка

Образец

9,

град

Уж-г ,

МДж/м2

адг '

МДж/м2

МДж/м2

Сталь Ст 3

Бронза БрКМц 3-1

28 46

501 533

Алюминий АО

96

Тог

865 821"

Сплав 100Х15М2Г2Р

29

32

387 368

Сплав 07Х20Н9Г7Т

24

26

686 615

942

922

775 658

726 688

1310

ТТбЭ

1002 1066

1730 1б42

771 736

1372 1230

Титан ВТ 1-0

Бронза БрКМц 3-1

23 29

542 538

Алюминий А0

93 96

893 856

Сплав 100Х15М2Г2Р

2Л

зТ

388 372

1041 1009

846 766

743 69Т

1084 "1076

1786

1712

776 744

ког

Примечание. В числителе приведены значения для подложки с дробеструенной поверхностью, в знаменателе — с гладкой поверхностью

Смачивание металлическими расплавами шероховатой поверхности сопровождается увеличением фактической площади контакта жидкой фазы с твердой подложкой, чего нет при контакте жидкой фазы с гладкой поверхностью твердого тела. Это увеличение отражается на возрастании величины межфазной энергии на границе раздела твердое тело с шероховатой (развитой) поверхностью - конденсированная фаза (жидкость)ст .

Согласно данным таблицы, краевые углы смачивания каплями горячего расплава всегда меньше в случае обработанных дробью подложек, чем при использовании гладких подложек. Это означает, что работа адгезии для всех вариантов испытаний является большей для шероховатых поверхностей. При такой механической обработке увеличивается средняя поверхностная энергия у материала подложки и кроме того в поверхностном слое подложек сохраняются напряжения сжатия. Поэтому адгезия нанесенного слоя расплава должна быть меньше, а краевые углы больше, чем для случая использования необработанных поверхностей.

Однако данные таблицы свидетельствуют об обратном. Объяснение такой аномалии необходимо искать с позиций статистической термодинамики и диффузионной теории.

Известно соотношение для поверхностных явлений, описывающее величину адгезии:

Аадг = У подл + У распл + У распл / подл . (4)

Отсюда следует, что увеличение энергии расплава/ подложки снижает величину адгезии. С учетом уравнения Юнга, выражение (4) переходит в уравнение Дюпре, которое в нашем случае можно записать в виде:

А

1 + cos 9 = 2 • . (5)

А

лког

Уменьшение Аадг при сохранении Аког ведет к увеличению угла 6, так как левая часть уравнения (5) тоже уменьшается (соб6 уменьшается до 0 с ростом угла 6 до 90°). Угол 6 = 90 ° является граничным: при его превышении адгезия становится меньше половины коге-зии, и капля жидкого расплава практически перестает растекаться по подложке.

В случае, когда 6 < 90 °, ситуация обратная, т. е. имеется определенная склонность к растеканию расплава, и эффект адгезии усиливается. При сравнении выражения (4) и (5) становится очевидным, что управлять фактором адгезии (при относительно слабом изменении другого фактора - когезии) можно за счет энергии у ... Уменьшение этой характеристики (табл. 1)

I распл / подл А А у '

во всех рассмотренных случаях с использованием дро-беструенных подложек приводит к увеличению работы адгезии. Объяснением такого поведения комбинированных систем (расплав-подложка) может служить активный «теплый» диффузионный дрейф атомов внедрения (углерода прежде всего) и некоторых атомов замещения в зоны сжатия-расширения поверхности подложки. Такое поведение атомов комбинированных систем отвечает явлению восходящей диффузии в нагретой зоне контакта [2] горячей капли расплава и холодной подложки.

Вывод

Шероховатая поверхность стальной и титановой подложки лучше смачивается приведенными расплавами по сравнению с гладкой вследствие снижения поверхностной энергии контактной зоны из-за дрейфа прежде всего атомов внедрения к поверхности раздела.

Список литературы

2. Исследование контактной выносливости сталей различной теплоустойчивости / [Ольшанецкий В. Е., Михайлов Л. А., Вильчек А. И., Банас И. П.] // ФХММ. - 1971. -№ 2. - С. 3-8.

1. Кошевник А. Ю. Измерение поверхностного натяжения по размерам лежащей капли / Кошевник А. Ю., Куса-нов М. М., Лубман Н. М. // Журнал физической химии. -1953. - Т. XXVII, вып. 12. - С. 1887-1890.

Одержано 05.11.2013

Биковський О.Г., Самойлов В. С., Ольшанецький В.Ю., Лаптева А.Н., Бусов А.В., Воронш Д.Я. Вплив стану поверхш твердого тша на характеристики змочування його розплавом

На спецгальнш установцi з визначення поверхневих явищ методом лежачо'г' краплг проведенi дослгдження змочування алюмiнieмА0, бронзоюБрКМц3-1, сталями 100Х15М2Г2Р i 07Х20Н9Г7Тсталево'г' Ст3 i титановог ВТ 1-0 пiдкладок з гладкою тсля прокатки i оброблено'г' дробом поверхнею.

Встановлено, що у вах випадках крайовий кут змочування розплавами тдкладок менший на шорсткш поверхш порiвняно з гладкою. На титановш тдкладщ в тих же комбiнацiях вiн менший порiвняно зi сталевою вна^док бтьшог хiмiчноi активностi титану йутворення промiжних сполук зменшою в 'язюстю. Це пов 'язано зi зниженням поверхнево'г' енерги контактно'г' зони вна^док дрейфу атомiв (передусiм впровадження) до поверхт подiлу.

Ключовi слова: шорстюсть, крайовий кут змочування, адгезiя, когезiя, поверхневий натяг, лежача крапля.

Bykovskiy O., Samoylov V., Olshanetskiy V., Lapteva A., Busov D., Voronin D. Effect of solid surface on its melt wetting characteristics

A special unit to determine the surface phenomena by sessile drop method was used to study wetting A0 aluminum, bronze BrKmts3-1 steels 100H15M2G2R and 07H20N9G7T of St3 steel and titanium VT1-0 substrates with a smooth-rolled and shot-blast surface.

It was found that in all cases, the contact angle is less than the substrate melts at the rough surface compared with the smooth. At titanium substrate under the same combination it is smaller as compared with the steel due to the greater reactivity of titanium and the formation of intermediates with lower viscosity. This is due to reduction of contact zone energy surface owing to drift interstitial atoms to surface of division.

Key words: roughness, contact angle, adhesion, cohesion, surface tension, sessile drop.

УДК 669.141:539.374

Д-р техн. наук В. В. Лунев, д-р техн. наук М. Н. Брыков, С. Н. Ткаченко Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье

РЕЗЕРВЫ ПОВЫШЕНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ ТЕРМООБРАБОТАННЫХ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Стандартные образцы стали У12 подвергали термической обработке по следующему режиму: контролируемая выдержка при температуре 860±10 °С и охлаждение в масле. Установлено, что при оптимальном времени выдержки достигается сочетание прочности на уровне 1250МПа и ударной вязкости КС 250-300Дж/см2. При помощи растровой электронной микроскопии (увеличение до х100000) установлено, что в поверхностном слое образцов глубиной порядка 1 мм формируется структура тонкопластинчатого перлита при размере перлитных колоний 3-7 мкм.

Ключевые слова: высокоуглеродистая сталь, термическая обработка, прочность, пластичность, тонкопластинчатый перлит.

Актуальность и цель работы

ры оборудования и технологии сварочного производства Запорожского национального технического университета. Установлено, что нелегированный высокоуглеродистый нестабильный аустенит обладает наибо-

Поиск путей повышения износостойкости железоуглеродистых сплавов при абразивном изнашивании -одно из направлений исследовательской работы кафед-

© В. В. Лунев, М. Н. Брыков, С. Н. Ткаченко, 2013 60