РОЗДІЛ 2
МЕТОДИКИ ЕКСПЕРИМЕНТУ ТА ХАРАКТЕРИСТИКА
ОБ'ЄКТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. Дослідження контактної взаємодії для систем "тверда тугоплавка сполука-металевий розплав"
Розтікання рідини по поверхні твердого тіла відбувається за рахунок зменшення вільної енергії при збільшенні площі контакту рідкої і твердої фаз. Для рівновісної системи Юнгом [126] було виведене рівняння, яке пов'язує кінцевий контактний кут ? з міжфазною енергією на границі розділу (бтр) і поверхневим натягом твердої (бтг) і рідкої (брг) фаз (рис. 2.1):
cos ? = (бтг-бтр)/брг (2.1)
Реальні процеси розтікання нерівновісні: міжфазна енергія змінюється в часі. Але ця зміна відбувається з малою швидкістю і рідина деформуючись утворює контактний кут такої величини, що вектори (бтр), (бтг) і (брг) урівноважуються. Застосовуючи принцип Даламбера для будь-якого моменту часу можна записати (для проекцій векторів на горизонтальну вісь):
бтг - бтр= брг• cos ? (2.2)
Робота адгезії, тобто енергія відриву рідкого сплаву від поверхні твердої фази визначається із співвідношення [127]:
WA= брг. (1+ cos ?) (2.3)
Міжфазний натяг на границі "тверде-рідке" визначається [128-130] із співвідношення:
бтр= бтг - брг.cos ? (2.4)
Вивчення змочування тугоплавких сполук TiCrC і TiCrB2 металевими розплавами на основі заліза в даній роботі проводилось методом "лежачої" каплі. Перевагами даного методу є його простота та можливість визначення енергетичних параметрів змочування (міжфазного натягу, роботи адгезії), невелика кількість використовуваних матеріалів. Дослідження кінетики змочування проводилось у вакуумі 1,33 мПа при температурах, які перевищують на 50-100 оС температуру плавлення відповідних сплавів. Контроль температури в печі здійснювався вольфрам-ренієвою термопарою ВР 5/20 і потенціометром ПП-63 та мікропірометром ОМП-043М. Для дослідження кінетики змочування використовувалась установка зображена на рисунку 2.2. Основною частиною установки є горизонтальна піч опору, яка представляє собою вольфрамовий нагрівач з молібденовими та нікелевими екранами. Також до складу установки входить водоохолоджувана вакуумна камера з вікнами для фіксування контактних кутів, форвакуумний і дифузійний насоси.
Рис. 2.1. Схема векторів поверхневих натягів брг, бтр и бтг для системи "тверде тіло - рідина"
Рис. 2.2. Установка для визначення кінетики розтікання: 1 - резервуар для очищення інертного газу; 2, 4 - вакуумна камера; 3 - піч; 5 - зразок;
6 - фотокамера; 7 - пружина; 8 - форвакуумний насос; 9 - дифузійний насос
Перед змочуванням зразки обезжирювались, з поверхні сплавів видалялась оксидна плівка, тугоплавкі підкладки полірувались на різних номерах шліфувального паперу з постійним зменшенням розміру зерен абразиву до 0000. На плоскій поверхні досліджуваної тугоплавкої підкладки розміщували зразок сплаву і поміщали їх в піч, після чого нагрівали з максимально можливою швидкістю. За допомогою цифрової фотокамери фіксувався процес розтікання розплаву по поверхні тугоплавкої підкладки, і визначались контактні кути змочування. Процес змочування продовжували до встановлення постійного значення контактного кута (10-15 хв).
2.2. Металографічний аналіз контактної зони взаємодії та покриттів із розроблених композиційних матеріалів
Для дослідження продуктів взаємодії систем "тугоплавка сполука - сплав", "покриття - основа" застосовували металографічний, рентгенофазовий і мікрорентгеноспектральний аналізи.
Металографічний аналіз виконувався на оптичному мікроскопі МИМ-8. Шліфи, які представляють собою поперечний переріз контактної зони взаємодії, покриття і основи, підготовлювались обробкою на шліфувальному камені із застосуванням карбіду бору і послідуючим шліфуванням на наждачному папері різних розмірів, на пастах №3 і №1 та полірували на оксидах алюмінію і хрому.
Для дослідження фазового складу продуктів взаємодії, а також розподілу і вмісту елементів в кожній з фаз, використовувався мікрорентгеноспектральний аналіз (МРСА). Дослідження проводились на мікроаналізаторах Camebax SX - 50, SUPERPROBE - 733.
Кількісний МРСА оснований на збудженні електронами в досліджуваному зразку характеристичного рентгенівського спектра хімічних елементів, які містяться в поверхневому шарі досліджуваної ділянки розміром 1 мкм та на прямопропорціональній залежності між інтенсивністю ліній характеристичного спектра і числом атомів елемента в опромінюваному електронному об'ємі. При дослідженні зразків масова концентрація (Сі) елемента в аналізовуваному зразку визначається за співвідношенням:
(2.5)
- де Іі* і Іі - зміна інтенсивності аналізованого характеристичного випромінювання на зразку і еталоні.
Рентгенофазовий аналіз порошків, компактних зразків, покриттів, поверхонь тертя проводився в рентгенівських камерах РКД-57,3 і РКУ в мідному випромінюванні на дифрактометрі Дрон-2,0. Дослідження фазового складу виконували з використанням інформаційно-пошукової системи FAZAN побудованої на основі бази рентгенографічних даних JCPDS. В якості числової характеристики якості рентгенівського аналізу використовувався фактор розбіжності:
(2.6)
Дифрактометричні зйомки, в залежності від вимог до якості дифрактограми, виконувались в режимі безперервного запису при швидкостях 2?=1-2 о/хв. Зйомки вели на дифрактометрі Дрон-2,0 в мідному випромінюванні. Чутливість якісного визначення фаз досліджуваних систем ~2-5 %.
2.3. Технологія отримання КМ у вигляді компактних зразків, композиційних порошків та електродів для ЕІЛ
Вихідними матеріалами, вибраними на основі результатів змочування, для отримання нових композиційних матеріалів були порошки ТiCrC, TiCrB2, Fe, Cr. Шихта порошків в необхідних співвідношеннях подрібнювалась з одночасним перемішуванням в середовищі ацетону в планетарному млині. Потім суміші просушувались і просіювались. В порошки для спікання, розмір яких не перевищував 3 мкм, добавля