Как указывалось выше, для получения качественного соеди­нения металлов при сварке плавлением и при наплавке без рас­плавления основного металла необходимо обеспечить смачивание поверхности твердого металла жидким по всей площади их сопри­косновения. Это относится к металлам как с близкими, так и с сильно отличающимися теплофизическими свойствами.

Смачивание поверхности твердого металла жидким зависит от целого ряда причин, основными из которых являются:

1) способность соединяемых металлов давать сплавы, т. е. наличие сродства одного металла к другому;

2) величина поверхностного натяжения жидкого металла; т ~є

3) температура нагрева поверх - т г т*

ности твердого металла и темпера - Рис - 20 • Система сил поверхност - r г ного натяжения на межфазной гра-

тура перегрева жидкого металла; нице ПрИ отсутствии проплавления

4) Наличие на металлической основного металла

поверхности пленки окислов и др.

Для осуществления смачивания необходимо затратить энергию. В общем случае эта энергия представляет собой [1] убыль свободной поверхностной энергии системы на границах раздела между твердым телом и газом, жидкостью и газом, твердым телом и жидкостью. Речь идет именно о трехфазной системе, так как наличие третьей (газовой) фазы, всегда присутствующей при взаимодействии жидкой и твердой фаз, оказывает значительное влияние на взаимодействие жидкой и твердой фаз.

При плазменной наплавке металлов этими фазами являются: поверхность твердого основного металла, жидкий наплавляемый металл и защитный газ. Равновесие в рассматриваемой системе определяется силами поверхностного натяжения на границах твердая фаза — жидкая фаза от. ж, твердая фаза — газ стг. г, жидкая фаза — газ аж, г (рис. 20). Следует отметить, что равно­весие в системе может рассматриваться лишь в том случае, если капля жидкого металла не перемещается по поверхности твердого металла и не растекается по ней. Следовательно, в данном случае рассматривается равновесное или статическое смачивание, харак­теризующееся неизменностью линейной границы смачивания.

Условие равновесия капли жидкого металла на поверхности твердого металла выражается [1, 50] уравнением Дюпре:

°Г. г — °т. ж — аж. г COS 0 = 0. (13)

Угол 0 называют краевым углом смачивания. Из (13) следует:

1) если ат. г = ат%ж, то cos 0 = 0 и 0 — 90°;

£ 12) если 0т. е > ат. ж, то cos 0 > 0 и 0 < 90°;

3) если сг. г <іоТ'Ж, то cos 0 <0 и 0 > 90е.

Если процесс наплавки сопровождается расплавлением основ­ного металла (как, например, при плазменной наплавке нержа­веющих сталей на малоуглеродистые), то условие равновесия капли жидкого металла на поверхности твердого металла может быть выражено несколько измененным выражением [111]:

ат - г = аж. г COS 0Х + От. ж COS 02. (14)

где 0г — угол, аналогичный 0 на рис. 20; '

02 — угол между поверхностью основного металла и каса­тельной к кривой, очерчивающей зону проплавления.

Но учитывая, что глубина проплавления основного металла незначительная, а очертания ванны достаточно плавные и угол мал, т. е. cos 02 —> 1, то и для этого случая можно без больших погрешностей применять уравнение (13). А для точных расчетов можно измерять величину углов 0Х и 02.

Следует также отметить, что при наплавке мы имеем дело с кинетическим смачиванием, которое характеризуется непре­рывным образованием новых поверхностей раздела. Но для про­стоты рассмотрения, смачивание при наплавке в первом прибли­жении может рассматриваться как статическое смачивание на плоской поверхности.

По [47] физический смысл краевого угла смачивания заклю­чается в том, что он является результатом относительной силы притяжения жидкости к твердому телу и к самой себе. Если между жидкостью и твердым телом нет химического взаимодействия, то 0 = 180°, и капля жидкости не смачивает тело.

При увеличении силы молекулярного притяжения между жид­костью и твердым телом краевой угол смачивания уменьшается, обращаясь в 0 тогда, когда сила сцепления между жидкостью и твердым телом становится равной силе сцепления между двумя плоскостями самой жидкости.

Величина cos 0 является мерой смачивания. Ее можно опреде­лить из (13)

COS0 = ат. г — аТ, ж (15)

G&c. г

Если 1 > cos 0 > 0 или 0 < 0 < 90°, то расплав хорошо смачивает поверхность твердого металла.

Из уравнения (15) следует, что поверхность твердого тела тем лучше смачивается жидкостью, чем меньше поверхностное натяжение этой жидкости (ож, е). Однако это справедливо лишь в том случае, если краевой угол смачивания меньше 90°. Если же краевой угол смачивания превышает 90°, то должно наблюдаться обратное явление [1]: с уменьшением поверхностного натяжения жидкости смачивание еще более ухудшается. Некоторые значения поверхностных натяжений твердых и жидких металлов приведены в табл. 5 и 6.

Таблица 5 Поверхностное натяжение твердых металлов в контакте с газом ат<г в дж/м2 (эрг/см2) [31] Твер­ дая фаза Г аз Темпе­ратура в °С °т - г Твер­ дая фаза Г аз Темпе­ратура в °С Ст7г CdO Аргон 1170 0,396 (396) Sn 215 0,685 (685) ZnO — 1170 0,470 (470) Ag — 1,140 (1140) MgO — 1170 0,955 (955) Au — 1,140 (1140) MgO Вакуум 1550 0,908 (908) Си — 1,650 (1650) ZrO Гелий 1850 0,590 (590) Ni — 1,770 (1770) AI2O3 » 1850 0,905 (905) Pt — 1,880 (1880) AI2O3 » 1550 0,935 (935) Fe 1100 1,950 (1950) MgO ^Вакуум 1100 1,090± 0,220 (1090+220)

Однако способность твердого тела смачиваться жидкостью не может однозначно определяться поверхностным натяжением жидкости, а зависит также от поверхностной энергии твердого тела ат, Р и поверхностного натяжения на межфазной границе твердое тело — жидкость ат, ж. С повышением поверхностной энергии твердого тела ат_ г смачиваемость твердого тела жид­костью согласно (15) должна улучшаться.

Хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных наблюдается для ряда металлов при использовании формулы

С. Н. Задумкина [32].

а = aD/A, (16)

где а — коэффициент, равный 7,87-10s эрг/см'1',

D — плотность металла в г/см3;

А — атомный вес.

Хорошие результаты цолучены и при использовании уравне­ния JI. Л. Кунина [50], устанавливающего количественную связь между работой выхода электрона и поверхностным натя­жением

а = 444,5 ---------- 110 эрг/см2, (17)

где яр — работа выхода электронов в эв

R — радиус атома в А-

Следует отметить, что величина ат, г в значительной степени за­висит от наличия на поверхности металла окислов. Поверхностное

Металл	°ж. г	Металл	аж. г	Металл	°ж. г
Ag	0,930 (930)	Al	0,914 (914)	Au	1,134 (1134)
Ва	0,330 (330)	Be	1,145 (1145)	Bi	0,390 (390)
Са	0,420 (420)	Cd	0,558 (558)	Qe	0,680 (680)
Со	1,870 (1870)	Сг	1,590 (1590)	Cs	0,060 (60)
Си	1,351 (1351)	Dy	0,640 (640)	Er	0,620 (620)
Ей	0,450 (450)	Fe	1,840 (1840)	. G*	0,707 (707)
Cd	0,650 (650)	.He	0,600 (600)	In	0,559 (559)
Hg	0,478 (478)	Ho	6,500 (6500)	La	0,700 (700)
Ir	2,400 (2400)	К	0,101 (101)	Mg	0,569 (569)
Li	0,398 (398)	Lu	0,950 (950)	Na	0,191 (191)
Mn	1,750 (1750)	Mo	2,050 (2050)	Ni	1,810 (1810)
Nb	2,150 (2150)	Nd	0,680 (680)	Pd	1,600 (1600)
Os	2,600 (2600)	Pb	0,480 (480)	Ra	0,450 (450)
Pr	0,690 (690)	Pt	1,740 (1740)	Rh	2,050 (2050)
Rb	0,090 (90)	Re	2,500 (2500)	Sc	0,800 (800)
Ru	2,050 (2050)	Sb	0,384 (384)	Sm	0,620 (620)
Se	0,106 (106)	Si	0,860 (860)	Та	2,400 (2400)
Sn	0,554 (554)	Sr	0,350 (350)	Ті	1,390 (1390)
Tb	0,650 (650)	Th	1,050 (1050)	V	1,300 (1300)
T1	0,490 (490)	W	2,300 (2300)	Y	0,900 (900)
V	1,750 (1750)	Zn	0,810 (810)	Zr	1,400 (1400)
Ut	0,450 (450)

Таблица 6

Поверхностное натяжение жидких металлов при температуре плавления аж. г в дж/м2 (эрг/см2) [30]

натяжение окислов меньше, чем поверхностное натяжение чи­стого металла. Поэтому металлы, покрытые пленкой окислов, как правило, смачиваются значительно хуже чистых металлов. Для обеспечения хорошего смачивания поверхности твердого основного металла жидким перед наплавкой необходимо очистить поверхность металла от слоя окислов.

Но не всегда с повышением ат_г смачиваемость поверхности твердого тела жидким улучшается, так как с изменением ат, г изменяется и аТшЖ. Согласно [1], явления смачивания опреде - "ляются величинами поверхностных энергий на всех трех границах раздела, но решающая роль принадлежит величине ат. ж. Всегда с уменьшением ат. ж смачивание улучшается. Непосредственно

Твердая фаза	Жидкая фаза	Температура в °С	Среда	°т-ж
А1203	Pb Ag Fe Fe Ni	400 1000 1570 1150 1850	Вакуум Гелий	1,405 (1405) 1,770 (1770) 2,300 (2300) 1,943 (1943) 1,860 (1860)
Zr02	Ni Fe	< 1800 1 1850 ( 1550 1550	Гелий Вакуум Гелий	0,970 (970) 0,790 (790) 0,682 (682) 0,882 (882)
MgO	Ag Fe Fe	1170 1550 1550	Гелий Вакуум Гелий	0,836 (836) 1,615(1615) 1,730 (1730)
Твердая фаза	Жидкая фаза	Температура в °С	Среда	CTZ ж
CdO ZnO Si02 Fe	Ag Ag Cu Sn Cu	1170 1170 1120 1100	Аргон »	0,836 (836) 0,715 (715) 1,370 (1370) 0,640 (640) 0,430 (430)
■Ni	Sn Pb Cd	—	—	0,470 (470) 0,540 (540) 0,280 (280)
Cu	Sn Pb Cd	—	—	0,200 (200) 0,180 (180) 0,140 (140)
Ag	Bi	—	—	0,025 (25)

Таблица 7

Поверхностное натяжение между твердой и жидкой фазами ат. ж в дж1мг (эрг! см2) [31]

измерить значение от. ж практически очень трудно. Но значение ат-ж можно Определить, имея данные по ат, г и ож, г и определив экс­периментально значение 0. Тогда из (15)

°Т. Ж = °т. г — °ж. г COS 0. (18)

Таблица 8 Поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное натяжение аж, г, и краевой угол смачивания припоев при пайке стали [51] Припой Поверхностно-активный элемент Символ Содержание в % Си p 0,04—0,06 Си Ag 0,6 59% Си, 40% Zn Si, 0,1—0,2 Ni, Mn 63% Си, 37% Zn Si • <0,5 ,72% Ag, 28% Си Si <0,5 Ag Pd 1-5 Ag Li 0,125 40% Ni, 60% Pd Be 0,5—1,0 93,5% Pb Sn, Ag ґ 5% I 1,5%

Значение величины от. ж, представляющей значение удельной свободной поверхностной энергии на границе твердое тело—жид­кость, необходимо для ана­лиза и оценки явлений взаимодействия, протека­ющих на межфазной гра­нице. Значения оТ' ж неко­торых металлов приведены в табл. 7.

Не всегда наплавляе­мый жидкий металл хо­рошо смачивает поверх­ность твердого основного металла, что объясняется сравнительно высокими значениями поверхностной энергии на межфазной гра­нице от. ж. Понизить зна­чение стт. ж можно введе­нием в наплавляемый ме­талл небольших добавок поверхностно-активных ве­ществ. Последние умень­шают поверхностное натя­жение жидкого металла и значительно облегчают адсорбцию жидкого рас­плава на поверхности твердого металла. Так, на­пример, жидкое серебро не смачивает железо. Небольшие добавки меди к жидкому серебру обеспечивают [111] удовлетворительное смачивание им поверх­ности железа. Такое же действие оказывает и добавка к жидкому серебру палладия. Так, по расчетным данным [111], замена 10% атомов серебра, находящихся на поверхности раздела фаз, ато­мами палладия уменьшает поверхностное натяжение ат. ж системы железо—серебро на 30%. Прием этот, позволяющий улучшать смачиваемость поверхности твердого металла жидким, широко применяется в процессах пайки. Некоторые поверхностно-актив­ные вещества, вводимые в припои для улучшения смачивания ими поверхности паяемого металла, приведены в табл. 8.

49

Поверхностное натяжение металлов с изменением темпера­туры меняется. Так, поверхностное натяжение серого чугуна, определенное в вакууме (10“[1] мм рт. ст.), составило [50] при тем­пературе 1300° С 1020 эрг! см2, при 1350° С 1070 эрг! см2 и при 1400° С 1130 эрг/см2; поверхностное натяжение стали Х15Н25 составило [50] при температуре 1500° С 1380 эрг/см2, при 1560° С 1400 эрг/см2; меди соответственно 1103 эрг/см2 при 1131° С, 1115 эрг/см2 при 1150° С, 1154 эрг/см2 при 1200° С и 1166 эрг! см2 при 1215° С. Следует отметить, что во многих работах отмечалось, что у меди с повышением температуры поверхностное натяжение увеличивалось. Как показали более поздние работы, проведенные на чистой меди, температурный ход ее поверхностного натяжения хорошо аппроксимируется линейным уравнением в интервале 1100—1500° С с отрицательным температурным коэффициентом по­верхностного натяжения, равным —0,18 эрг/см2-°С [62]. При тем­пературе 1100° С поверхностное натяжение чистой меди состав­ляет 1350 эрг/см2 [62], а при температуре 1500° С 1283— 1290 эрг! см2 [65]. Такое различие в данных по поверхностному натяжению объясняется различной степенью чистоты исследуе­мого металла. Примеси в металле иногда оказывают весьма суще­ственное влияние на изменение его поверхностного натяжения. По данным [100] поверхностное натяжение железа при темпера­туре 1560° С с изменением в нем концентрации углерода от 0,12 до 1,0 % вес. изменяется от 1710 до %ЪЪэрг! см2, а при дальнейшем увеличении содержания углерода поверхностное натяжение прак­тически не меняется (при 4,6 % Со = 1650 эрг! см2) с изменением концентрации кремния от 0,20 до 5,10% вес. поверхностное натяжение железа уменьшается с 1710 до 1615 эрг! см2 с изменением концентрации марганца от следов его в железе до 11,82% вес. поверхностное натяжение уменьшается от 1710 до 1305 эрг! см2', с увеличением содержания кислорода от 0,0042 до 0,076 % вес. поверхностное натяжение железа уменьшается от 1710 до 1235 эрг/см2; увеличение концентрации никеля в железе приводит к повышению его поверхностного натяжения от 1710 эрг! см2 при наличии следов никеля до 1790 эрг/см2 при 19,8 % вес. никеля. Повышение содержания меди в медно-никелевых сплавах от 0 до 100% ат. приводит к понижению поверхностного натяжения от 1735 до 1265 эрг/см2 [93]. Поверхностное натяжение сплавов из технического железа (0,09% С; 0,09% Мп, 0,026% S, 0,025% Р; 0,014% О; следы Si) с увеличением содержания углерода от 0,09 до 3,15% уменьшается с 1350 до 1170 эрг/см2 [99]. На поверхност­ное натяжение меди очень сильно влияет добавка серы: при 0,83% S поверхностное натяжение меди изменяется от 557 + 7 до 1269 ± 20 дин! см [4]. Аналогично влияют на медь добавки кислорода, серебра, золота, кадмия, алюминия, олова, свинца, сурьмы [33]. Влияние примесей на изменение поверхностного на­тяжения металлов и сплавов объясняется их адсорбцией на
границе раздела. А повышение концентрации примесей в поверх­ностном слое и приводит к понижению поверхностного натяжения металла или сплава.

Таким образом, имея возможность регулировать свойства твер­дого и жидкого металлов путем введения в них в небольших коли­чествах активных добавок, а также изменяя температуру и дли­тельность контактирования твердой и жидкой фаз, можно регули­ровать степень смачивания твердого металла жидким.