Теплофизика высоких температур, 2021, T. 59, № 4, стр. 638-640

ВВЕДЕНИЕ

При изготовлении различных изделий или деталей для ремонта машин и механизмов приходится иметь дело с пайкой и сваркой их с другими тугоплавкими металлами для увеличения срока их службы. Качество получаемых при этом сплавных контактов связано с явлениями смачивания твердых поверхностей тугоплавких металлов расплавленными металлами. Критерием смачивания твердых поверхностей жидкостями или расплавами служит краевой угол Θ, образуемый данным расплавом на поверхности твердого тела. Чем меньше этот угол, тем прочнее будет шов. При малой степени смачиваемости твердого тела жидким металлом (θ > π/2) невозможно провести процесс пайки и сварки, потому что жидкость вытесняется из места, где проводится, например, пайка. Краевой угол в свою очередь связан с межфазной энергией между твердым телом и расплавом σ_ТЖ и работой адгезии W_А, а следовательно, с прочностью спая и т.д.

Целью настоящей статьи является определение межфазной энергии σ_ТЖ и работы адгезии систем W–Sn и Re–Sn в зависимости от температуры измерения краевого угла.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАСЧЕТОВ

Для определения межфазных энергий указанных выше систем использованы политермы краевых углов, измеренные в работе [1]. Поверхностная энергия вольфрама в твердом состоянии и его температурный коэффициент поверхностной энергии взяты из работы [2]: σ_ТП(W) = 2670 мДж/м² и dσ_ТП/dT = –0.17 мДж/(м² К) при температуре плавления вольфрама T_пл(W) = 3668 К из [3].

Температура плавления рения также взята из [3] и равна T_пл(Re) = 3453 К. Значения поверхностной энергии σ_РП и температурного коэффициента поверхностной энергии dσ_РП/dT жидкого олова брались из [4]. Поверхностная энергия жидкого рения при температуре кристаллизации измерялaсь в работах [5, 6]. Для расчетов межфазной энергии выбрано значение σ_РП (расплав–пар) рения, полученное в экспериментах [5] и равное σ_РП(Re) = 2614 мДж/м², так как авторы указали чистоту и погрешности измерений, в работе [6] данные важные аспекты, влияющие на результат эксперимента, не приведены.

В связи с отсутствием в литературе экспериментальных данных о поверхностной энергии твердого рения используется соотношение Л.М. Щербакова, согласно которому при переходе жидкости в твердое состояние поверхностная энергия в среднем увеличивается на 7%, т.е.

Подставляя в (1) значение σ_РП(Re), получим σ_ТП(Re) = 2797 мДж/м² в точке плавления.

В литературе отсутствуют не только данные о поверхностной энергии рения σ_ТП, но и о температурном коэффициенте поверхностной энергии твердого рения dσ_ТП(Re)/dT. Поэтому здесь используется теоретически вычисленное значение температурного коэффициента для жидкого рения dσ_РП(Re)/dT = –0.18 мДж/(м² К) [7]. Возможность применения величины температурного коэффициента, полученной для жидкого рения без какой-либо поправки к твердому состоянию рения, объясняется следующим обстоятельством. Как известно, температурный коэффициент поверхностной энергии в основном определяется термическим коэффициентом линейного расширения α_р. Как отмечает автор работы [7] С.Н. Задумкин, при расчете dσ_РП/dT по выведенной им формуле особенно для тугоплавких металлов, в том числе для рения, он брал α_р не для жидкого состояния, а для твердого из-за отсутствия экспериментальных значений для первого. Исходя из данных соображений в первом приближении, по-видимому, можно записать следующее соотношение:

В качестве примера проведем расчет межфазной энергии при температуре 573 К, при которой измерен краевой угол жидкого олова на поверхности твердого вольфрама. При этой температуре авторы работы [1] получили θ = 141°.

Выражение для нахождения поверхностной энергии твердого вольфрама при температуре измерения краевого угла выглядит так

Здесь учтено, что при понижении температуры поверхностная энергия растет.

Подставляя в (2) численные значения величин, получим

Далее поверхностную энергию жидкого олова также приводим к температуре измерения угла θ:

Подставив численные значения величин, получим [4]

Для расчета межфазной энергии между вольфрамом и жидким оловом используется уравнение Юнга

Подставляя в (3) численные значения величин, имеем

Работу адгезии можно вычислить с помощью двух тождественных формул:

Рассчитывая работу адгезии по формуле (5), получаем W_A2 = 533(1 – 0.777) = 119 мДж/м². Подставив в (4) найденные выше величины, можно убедиться, что W_A1 = 119 мДж/м².

По такой же схеме проведены расчеты σ_ТЖ и W_A для системы Re–Sn в зависимости от температуры.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 1 и 2 приведены вычисленные значения межфазных энергий систем W–Sn и Re–Sn при разных температурах, при которых измерены краевые углы θ. При краевом угле, большем π/2, межфазная энергия больше поверхностной энергии и твердого, и жидкого металлoв, взятых в отдельности, но сумма каждой пары величин всегда больше третьей величины. В то же время разность каждой пары величин всегда меньше третьей величины. Последние условия могут служить критерием правильности полученных экспериментальных характеристик или теоретически вычисленных величин.

Если полученные результаты противоречат этим двум условиям, то это будет свидетельствовать об ошибочности таких данных.

Критерии, о которых идет речь при обсуждении результатов расчетов межфазных характеристик, приведенных в таблицах, являются строго установленными и общепризнанными фактами. В частности, эти критерии вытекают из неравенств, выражающих условия равновесия трех фаз на линии взаимного контакта (треугольник Неймана).

Приведенные в табл. 1 и 2 вычисленные результаты полностью отвечают этим условиям и не противоречат им.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение следует отметить, что прямого метода измерения межфазной энергии не существует. Между тем она определяет краевой угол на границе твердой фазы с расплавом. Последняя величина, как уже отмечалось, определяет прочность при пайке, сварке, жидкофазном спекании и т.д.

Расчеты показывают, что работа адгезии олова к вольфраму достигает максимального значения, равного 970 мДж/м² при температуре 1273 К. В системе Re–Sn соответствующая работа адгезии при той же температуре равна 626 мДж/м², что в 1.5 раза меньше, чем в системе W–Sn. Таким образом, систему W–Sn можно рекомендовать для получения прочной связи при изготовлении различных деталей машин и механизмов, а также при изготовлении электронных приборов.

Смачивание тугоплавких металлов (вольфрама и рения) оловом и другими легкоплавкими металлами, не вступающими с ними в химическое взаимодействие, наблюдается только после удаления оксидных пленок с поверхности подложки. Последнее достигается либо повышением температуры, либо применением различных химикатов, растворяющих оксиды (флюсы).