Растекание расплава по поверхности твердого металла

 Растекание расплава по поверхности твердого металла

В непосредственной связи со смачиванием находится растекание металлического расплава по поверхности твердого металла: чем лучше расплав смачивает твердую поверхность, тем лучше он растекается по ней.

Растекание капли обычно продолжается не бесконечно, а лишь до определенного предела. После прекращения процесса растекания капли условия ее равновесия на металлической поверхности выразятся уравнением

1)

где

σтг	—	поверхностное натяжение на границе раздела твердое тело – газ;
σтж	—	поверхностное натяжение на границе раздела твердое тело – жидкость;
σжг	—	поверхностное натяжение на границе раздела жидкость – газ;
θ	—	краевой угол смачивания, образованный границей раздела твердое тело – жидкость и касательной к границе раздела жидкость–газ, отсчитанный внутрь жидкой фазы.

Из уравнения (1) следует

2)

Анализ выражения (2) позволяет сделать следующие выводы:

• если поверхностное натяжение между твердым телом и газом больше, чем между твердым телом и жидкостью (σ_тг > σ_тж), то краевой угол θ острый;
• если σ_тг < σ_тж, то краевой угол θ тупой;
• уменьшение σ_тг во всех случаях вызывает уменьшение cos θ (увеличение θ ), т. е. ухудшение смачивания;
• уменьшение σ_тж во всех случаях вызывает увеличение cos θ (уменьшение θ ), т. е. улучшение смачивания.

Изменение σ_тж влияет двояко:

1. при σ_тг – σ_тж > 0 уменьшение σ_тж вызывает увеличение cos θ, уменьшение θ в пределах 90–0°, т. е. улучшение смачивания;
2. при σ_тг – σ_тж < 0 уменьшение σ_тж вызывает уменьшение cos θ, увеличение θ в пределах 90–180°, т. е. ухудшение смачивания.

При θ = 90° σ_тг = σ_тж; при θ = 0° σ_тг = σ_тж + σ_тж; при θ = 180° σ_тг = σ_тж – σ_тж.

Если σ_тг > σ_тж, т. е. θ < 90°, a cos θ имеет положительное значение, то говорят, что расплав смачивает поверхность металла. Если σ_жг < σ_тж, т. е. θ > 90°, a cos θ имеет отрицательное значение, то говорят об отсутствии смачивания.

Растекаемость – сложная характеристика, зависящая от очень большого количества факторов. Одним из главных факторов, определяющих растекаемость, является соотношение величин поверхностных натяжений границ раздела твердое тело–газ, твердое тело–жидкость и жидкость – газ.

Скорость растекания в значительной мере зависит от вязкости расплава, а в случае, если растекание расплава происходит при температуре ниже точки начала кристаллизации (точки ликвидуса), то также и от жидкотекучести его. Влияние жидкотекучести проявляется лишь при горячем покрытии сплавами, кристаллизующимися в широком интервале температур. Заметное влияние на растекаемость оказывают сила тяжести, стремящаяся уменьшить высоту капли, а также наличие на поверхности расплава прочной окисной пленки.

Вопрос о взаимном смачивании реальных пар металлов еще мало изучен. Недостаточное количество данных не дает возможности заранее сказать, какие металлы могут смачивать и какие нет.

Одни авторы высказывают мнение, что наилучшим смачиванием обладают пары металлов с широким пределом взаимной растворимости. Действительно, например, хром, не смешивающийся с оловом ни в твердом, ни в жидком состоянии, совершенно не смачивается им. Однако смачивание может быть получено даже для взаимно не растворимых металлов. Свинец и железо нерастворимы один в другом ни в твердом, ни в жидком состоянии. На основании этого можно предположить, что расплавленный свинец не будет смачивать поверхности твердого железа. Однако, применяя специально подобранные флюсы, можно не только уменьшить величину краевого угла смачивания, но и сделать ее практически равной нулю, т. е. получить полное растекание свинца по железу.

На растекание расплава по твердой металлической поверхности оказывает большое влияние шероховатость поверхности.

Если поверхность шероховатого тела в и раз больше гладкой, то уравнение (1) примет вид

3)

откуда

4)

Решая совместно равенства (2) и (4), получим

5)

Из выражения (5) следует, что косинус угла смачивания (θ′) на шероховатой поверхности во столько раз больше косинуса угла смачивания (θ) на гладкой поверхности, во сколько раз фактическая площадь шероховатой поверхности больше гладкой. Отсюда вытекает двоякое влияние шероховатости поверхности на смачивание. Если расплав смачивает поверхность металла, т. е. θ′ < 90°, a cos θ′ > 0, то увеличение шероховатости приводит к увеличению cos θ′, т.е. к уменьшению θ′, а следовательно, и к улучшению смачивания. Для случая несмачивания, когда θ′ > 90°, a cos θ′ < 0, увеличение шероховатости, наоборот, приводит к росту отрицательного значения cos θ′, т. е. к увеличению θ′, а следовательно, и к ухудшению смачивания.

Таким образом, увеличение шероховатости покрываемой поверх¬ности увеличивает хорошую смачиваемость (θ < 90°) и, наоборот, уменьшает плохую смачиваемость (θ > 90°).

Из анализа приведенных выше рассуждений следует, что уменьшение смачиваемой поверхности за счет, например, имеющихся на поверхности не смачивающихся расплавом включений действует так же, как уменьшение шероховатости поверхности, т. е. уменьшает хорошую смачиваемость.

Поскольку смачивание находится в прямой связи с поверхностным натяжением, естественно предположить, что смачивание и растекание будут меняться в зависимости от типа металла. Вместе с тем нет оснований считать, что смачивающая способность является неотъемлемым свойством данного металла. Следует помнить, что смачивание и растекание зависят не только от поверхностных натяжений твердого металла и расплава, но и от значения межфазного поверхностного натяжения между ними (σ_тж). Так как σ_тж является величиной, присущей каждой конкретной паре металла, то и способность смачивания следует рассматривать не как индивидуальное свойство одного металла, а как обоюдное свойство данной конкретной пары металлов. Следовательно, один и тот же жидкий металл может при прочих равных условиях по-разному смачивать и растекаться по поверхности двух разных твердых металлов.

Приведенные выше сведения показывают, что растекание расплава зависит от природы твердого металла, но характер этой зависимости, в свою очередь, определяется природой применяемого флюса. Следовательно, смачивание следует рассматривать не как индивидуальное свойство данного металла и даже не как коллективное свойство пары металлов, а как обобщенное свойство каждой конкретной тройной системы твердый металл–расплав–флюс. Такое понимание механизма смачивания открывает широкую возможность разработки технологических процессов соединения любых металлов, смачивание которых в обычных условиях кажется невозможным.

 Литература

1. Справочник паяльщика / В.Е. Хряпин, А.В. Лакедемонский. М., Машиностроение, 1974, 328 с.