Научтруд
Войти
Категория: Нанотехнологии

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УГЛА СМАЧИВАНИЯ ТУГОПЛАВКИХ РАСПЛАВАМИ PB-NA

Научный труд разместил:
Tewyn
16 сентября 2020
Автор: Карамурзов Б.С.

Температурная зависимость угла смачивания тугоплавких металлов расплавами Pb-Na

Б.С. Карамурзов, Р.А. Кутуев2, М.Х. Понежев1, В.А. Созаев3, А.Х. Шерметов1, А.А. Шокаров.

1 Кабардино-Балкарский Государственный университет им. Х.М. Бербекова, г.

Нальчик

2 Чеченский государственный университет, г. Грозный 3 Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), Владикавказ

Аннотация: Методом лежащей капли изучена температурная зависимость краевого угла смачивания сплавов Pb-Na разной концентрации на подложках из Co-Cr, Ni-Cr, нержавеющей стали 25Х18Н9С2. Измерения проводились методом лежащей капли в широком интервале температур от 350 0С до 800 0С в атмосфере чистого Не марки А. Показано, что значение угла смачивания уменьшается с увеличением температуры, наблюдаются пороги смачивания.

Введение

Изучение поверхностных свойств металлических расплавов на основе свинца играет важную роль в развитии технологии: пайки, литья, рафинировании металлов, при изготовлении новых композиционных материалов, разработке новых жидкометаллических теплоносителей высокоэнергетических установок.

Сплавы Pb-Na, c определенными концентрациями натрия, перспективны в качестве пожаростойких теплоносителей ядерных установок [1,2]. Исследования поверхностных свойств сплавов с малыми добавками щелочных металлов важны также для разработки новых высокоактивных припоев и систем металлизации [3].

Авторами [4] изучались плотность и тепловое расширение системы Na-Pb с малым содержанием свинца, которые показали, что с увеличением

концентрации РЬ плотность расплава повышается.

Термические свойства расплавов систем натрий-свинец и калий -свинец с малыми добавками свинца изучались в работе [2], где показано, что особенности поведения мольного объема и коэффициентов теплового расширения расплавов систем натрий-свинец и калий- свинец связаны с тенденцией к образованию интерметаллидов.

Поверхностные свойства систем РЬ-Ы, РЬ-Ыа, РЬ-ЯЬ в литературе встречаются крайне редко. Вместе с тем подобные данные необходимы для правильного понимания процессов адгезии, смачивания и растекания.

Результаты исследований

Все эксперименты проводились на высокотемпературной установке, описанной в [5]. Полученные результаты для смачивания чистым РЬ подложек из №-Сг, Со-Сг и нержавеющей стали 25Х18Н9С2 приведены на рис.1.

150-,
145—■— чистый РЬ на 1\\П-Сг —•— чистый РЬ на Со-Сг —А— чистый РЬ на 25Х18Н9С2

о 140110105

350 400 450 500 550 600 650 700 750 температура, 0С

Рис. 1. Политермы углов смачивания чистым РЬ подложек из №-Сг, Со-Сг и нержавеющей стали 25Х18Н9С2.

Из рис. 1 видно, что в интервале температур от 500 0С до 600 0С происходит резкое уменьшение углов смачивания. Проявление данного "порога" смачивания можно объяснить разрушением оксидных пленок на поверхности капли расплава. Как известно [5-7], разрушение оксидных пленок происходит в интервале температур 450 - 600 0С.

На рис. 2, 3 показаны результаты экспериментов для смачивания расплавом РЬ-Ыа подложки из №-Сг и Со-Сг, соответственно.

150-1 145140135130125120115110105100

- чистый РЬ ■ РЬ-0,01мас.% Ыа

--РЬ-13мас.% Ыа

--РЬ-29мас.% Ыа

4
300

—I—&—I—&—I—&—I—

350 400 450 500
550

—I—1—I—1—I—1—I—1—I

600 650 700 750 800
0/-1

температура, С

Рис. 2. Смачивание расплавом РЬ-Ыа подложки из №-Сг: 1 - чистый свинец, 2 - расплав РЬ-0,01ат.% Ыа, 3 - расплав РЬ-13 ат.% Ыа, 4 - расплав РЬ29 ат.% Ыа.

Из рис. 2, 3 видно, что малые добавки натрия уменьшают краевой угол смачивания. Более наглядно это видно на рис. 4 при смачивании подложки из стали 25Х18Н9С2. Это объясняется тем, что с увеличением концентрации натрия уменьшается поверхностное натяжение [8,9]. Как показано в работе [9] в интервале концентраций от 13 ат.% Ыа при 125 С эта зависимость

описывается уравнением о=140-1501п(1+0.14х)-2х и теоретически обосновано в работе [10].

160 155 150
3

а 140 и

* 135 Я

§ 130 и

4
110
105 100

чистый РЬ

РЬ-0,01 ат. % Ыа

-- РЬ-13 ат.% Ыа

—А— РЬ-29 ат.% Ыа

—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

температура, С

Рис. 3. Смачивание расплавом РЬ-Ыа подложки из Со-Сг: 1 - чистый свинец, 2 - расплав РЬ-0,01ат.% Ыа, 3 - расплав РЬ-13 ат.% Ыа, 4 - расплав РЬ29 ат.% Ыа.

140-, 135 -130125 -120115 -110105 -10095 ч

—■— чистый РЬ

--РЬ-13 ат.% Ыа

--РЬ-29 ат.% Ыа

• • ■

-1—|—I—|—I—|—.—|—.—|—.—|—I—|—I—|—I—|—I—|—I—|

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

температура, С

Рис. 4. Смачивание расплавом РЬ-Ыа подложки из стали 25Х18Н9С2: 1 чистый свинец, 2 - расплав РЬ-13 ат.% Ыа, 4 - расплав РЬ-29 ат.% Ыа.

Заключение

С использованием высокотемпературной экспериментальной установки [2] произведены исследования температурной зависимости краевых углов смачивания расплавами Pb-Na разных тугоплавких металлов, таких как Ni-Cr, Co-Cr и сталь марки 25X18H9C2. На политермах обнаруживаются «пороги» смачивания, что связано с разрушением оксидных пленок на поверхностях расплавов и процессами взаимодействия расплав - подложка. Показано, что малые добавки существенно уменьшают краевой угол смачивания.

Литература

1. Абдуллаев Р.Н. Термические свойства расплавов систем натрий-свинец и калий-свинец. URL: itp.nsc.ru/conferences/avtfg14/files/2.pdf.
2. Засорин И.Н., Кузнецова Л.Н., Кумской В.В. и др. Исследование свойств сплава натрий - свинец с целью выбора состава пожаробезопасной стойкости теплоносителей // Вопросы науки и техники. Серия: Физика ядерных реакторов. - 2008. № 4. - С.72-77.
3. Карамурзов Б.С., Кутуев Р.А., Понежев М.Х., Созаев В.А., Шерметов А.Х., Шокаров А.А. Плотность и поверхностное натяжение расплавов свинец-натрий // Известия РАН. Серия Физическая, 2019, т. 83, № 6. - С.845-847.
4. Хайрулин Р.А., Станкус С.В., Абдуллаев Р.Н. Плотность и тепловое расширение жидких сплавов системы Na-Pb с малым содержанием свинца // Теплофизика и аэромеханика, 2013, Т. 20. № 2. С. 223-226.
5. Елекоева К.М., Касумов Ю.Н., Манукянц А.Р., Понежев М.Х., Созаев В. А., Шерметов А.Х. Политерму углов смачивания расплавом Pb-0.49

Na пористого никеля // 19-й международный симпозиум: Порядок, беспорядок и свойства оксидов, г. Ростов-на-Дону - пос. Южный 5-10 сентября 2016, 2016г, с.282-285.

6. Thermophysical and Electric Properties // Handbook on Lead bismuth Eutectic Alloy and Lead Properties, Materials Compatibility, Thermal, Hydraulics and Technologies. OECD. 2007. NEA № 6195. P.693.
7. Камболов Д.А., Кашежев А.З., Кутуев Р.А., Понежев М.Х., Созаев В. А., Шерметов А.Х. Политермы плотности, поверхностного натяжения висмутистого свинца и угла смачивания высоконикелевых и ферритно-мартенситных сталей сплавом Pb-Bi // Теплофизика высоких температур, 2014, Том 52, № 3, С. 392-396.
8. Stalder A.F., Kulik G. Scenge D. et. al. // Colloids and Surfaces A: Physicochem. End. Asp. 2006. V.286. P.92.
9. Константинов В.А. Поверхностное натяжение структуры и микротвердость сплавов свинец-калий, свинец-натрий, свинец-кальций // Автореферат ... канд. физ.- мат. наук. - М.; МГУ, 1950. 8с.
10. Семенченко В.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. -М.: Гостехиздат, 1957. - 491с.

References

1. Abdullaev R. N. Termicheskie svojstva rasplavov sistem natrij-svinec i kalij-svinec. [Thermal properties of melts of sodium-lead and potassium-lead systems]. URL: itp.nsc.ru/conferences/avtfg14/files/2.pdf.
2. Zasorin I.N., Kuznecova L.N., Kumskoj V.V. i dr. Voprosy nauki i tekhniki. Seriya: Fizika yadernyh reaktorov. 2008. № 4. pp.72-77.
3. Karamurzov B.S., Kutuev R.A., Ponezhev M.H., Sozaev V.A., SHermetov A.H., SHokarov A.A. Izvestiya RAN. Seriya Fizicheskaya, 2019, t. 83, № 6. pp. 845-847.
4. Hajrulin R.A., Stankus S.V., Abdullaev R.N. Teplofizika i aeromekhanika, 2013, T. 20. № 2. pp. 223-226.
5. Elekoeva K.M., Kasumov YU.N., Manukyanc A.R., Ponezhev M.H., Sozaev V.A., SHermetov A.H. 19-j mezhdunarodnyj simpozium: Poryadok, besporyadok i svojstva oksidov, g. Rostov-na-Donu, pos. YUzhnyj 5-10 sentyabrya 2016, 2016g, pp.282-285.
6. Thermophysical and Electric Properties. Handbook on Lead bismuth Eutectic Alloy and Lead Properties, Materials Compatibility, Thermal, Hydraulics and Technologies. OECD. 2007. NEA № 6195. P.693.
7. Kambolov D.A., Kashezhev A.Z., Kutuev R.A., Ponezhev M.H., Sozaev V.A., SHermetov A.H. Teplofizika vysokih temperatur, 2014, Tom 52, № 3, pp. 392396.
8. Stalder A.F., Kulik G. Scenge D. et. al. Colloids and Surfaces A: Physicochem. End. Asp. 2006. V.286. P.92.
9. Konstantinov V.A. Poverhnostnoe natyazhenie struktury i mikrotverdost& splavov svinec-kalij, svinec-natrij, svinec-kal&cij. [Surface tension of the structure and microhardness of lead-potassium, lead-sodium, lead-calcium alloys]. Avtoreferat ... kand. fiz.- mat. nauk. M. MGU, 1950. 8p.
10. Semenchenko V.K. Poverhnostnye yavleniya v metallah i splavah. [Surface phenomena in metals and alloys]. M.: Gostekhizdat, 1957. 491p.
ПОЛИТЕРМЫ УГЛА СМАЧИВАНИЯ ПОРОГ СМАЧИВАНИЯ ПОДЛОЖКИ ИЗ co-cr nicr 25x18h9c2 wetting angle polytherms wetting threshold cocr 25x18h9c2 substrates