Дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору
Наведено результати експериментального дослідження методом високошвидкісної
 профільної кінозйомки (до 5000 кадр/с) у вакуумі при 1000 оС кінетики змочування та
 розтікання розплаву Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору BN. The wetting and spreading kinetics of...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Опубліковано: |
Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4310 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору / М.Ф. Григоренко, В.В. Полуянська, Є.П. Черніговцев // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2007. — № 40. — С. 20-25. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860010068641054720 |
|---|---|
| author | Григоренко, М.Ф. Полуянська, В.В. Черніговцев, Є.П. |
| author_facet | Григоренко, М.Ф. Полуянська, В.В. Черніговцев, Є.П. |
| citation_txt | Дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору / М.Ф. Григоренко, В.В. Полуянська, Є.П. Черніговцев // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2007. — № 40. — С. 20-25. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| description | Наведено результати експериментального дослідження методом високошвидкісної
профільної кінозйомки (до 5000 кадр/с) у вакуумі при 1000 оС кінетики змочування та
розтікання розплаву Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору BN.
The wetting and spreading kinetics of Cu—Sn—Ti melt over cubic and
hexagonal BN surfaces was studied by means of a high-speed profile filming
(up to 5000 frames/s) in a vacuum at 1000 °C.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:41:30Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2007. Вып. 40 20
УДК 548.52
М. Ф. Григоренко, В. В. Полуянська, Є. П. Черніговцев*
ДОСЛІДЖЕННЯ КІНЕТИКИ ЗМОЧУВАННЯ ТА РОЗТІКАННЯ
АДГЕЗІЙНО-АКТИВНИХ РОЗПЛАВІВ Cu—Sn—Ti
ПО ПОВЕРХНЯХ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ
ІЗ НІТРИДУ БОРУ
Наведено результати експериментального дослідження методом високошвидкісної
профільної кінозйомки (до 5000 кадр/с) у вакуумі при 1000 оС кінетики змочування та
розтікання розплаву Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору BN.
Вступ
Більшість досліджень кінетики змочування та розтікання високотемпе-
ратурних розплавів по твердих поверхнях, проведених у останні роки,
стосується кінетики так званого “повільного” змочування та розтікання,
наприклад, припоїв на основі Al та Ni по оксиду алюмінію та сталях [1],
(Cu—Si)—SiC [2], (Ag—Cu—Ti)—SiC [3], Al—Si3N4 [4]. Під “повільним”
розтіканням, згідно з класифікацією Ю. В. Найдіча, мається на увазі
квазірівноважне розтікання, коли зміни міжфазових енергій відбуваються
досить повільно і поверхня рідини встигає набути форму, що визначається
у даний момент рівноважними умовами (рівнянням Юнга) [5].
Щодо “швидкої” кінетики дослідження виконувались у значно
меншому обсязі та в більшості своїй для систем метал—метал [6—8], де
“швидке” нерівноважне розтікання відбувається, коли початковий
контактний кут значно відрізняється від свого рівноважного значення.
У цьому випадку рідина буде розтікатись, допоки не буде досягнутий
рівноважний крайовий кут змочування [5]. Раніше нами проводилось
вивчення кінетики змочування та розтікання розплавів Ni, Ni—Pd, Ni—
Pd—Ti по поверхнях ковалентних підкладок — карбіду кремнію та
скловуглецю [9] та розплавів Cu—Sn—Ti по поверхні α-Al2O3 (сапфіру)
[10]. Являє інтерес дослідити такі процеси у системах металічний роз-
плав—надтвердий матеріал, зокрема кубічний нітрид бору. Зазначений
матеріал широко використовується у сучасному матеріалознавстві для
виготовлення інструментів, якими обробляють загартовані сталі та чавуни.
Додамо, що раніше цей матеріал у такому аспекті не вивчався.
Методика проведення досліджень
Досліджувався хімічно активний сплав Cu46Sn4Ti50, що може
використовуватись як припій. З фізико-хімічної точки зору, кінетичний
режим розтікання вважається більш цікавим та важливим, ніж
гідродинамічні аспекти течії рідини та транспортного опору. Тому
основна увага у даній роботі була приділена хімічним кінетичним
процесам змочування та розтікання.
* М. Ф. Григоренко — кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник, Інститут
проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, м. Київ; В. В. Полуянсь-
ка — науковий співробітник цієї ж установи; Є. П. Черніговцев — молодший науковий
співробітник цієї ж установи.
М. Ф. Григоренко, В. В. Полуянська, Є. П. Черніговцев, 2007
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2007. Вып. 40 21
Експерименти по вивченню змочування та розтікання проводили у
вакуумі (2—4)⋅10-3 Па при 1000 °С з використанням устаткування, що було
розроблене раніше [11, 12].
Краплі досліджуваних сплавів плавили та формували in situ на
інертних підкладках (що не змочуються та не взаємодіють із даним
сплавом), виготовлених із фториду кальцію. Зразки масою 0,06—0,13 г
виготовляли із металів високої чистоти (Sn 99,999%, електролітична Cu та
йодований Ті), переплавлених у вакуумі. Об’єми крапель дорівнювали у
середньому 0,01 см3. Досліджувані підкладки — пластинки кубічного
нітриду бору (BN) — були отримані із графітоподібного нітриду бору у
камері високого тиску. Після хімічної обробки та промивання зразки шлі-
фували та полірували алмазними кругами та порошками. Середня шорст-
кість поверхонь підкладок після полірування складала 0,03—0,04 мкм.
Експерименти проводили з використанням методу профільної
високошвидкісної кінозйомки (до 5000 кадр/с). При досягненні необхідної
температури пластинку досліджуваного матеріалу за допомогою спеціаль-
ного пристрою приводили у контакт із верхівкою краплі ( рис. 1). У цей
момент (дещо раніше) включали кінокамеру і фіксували процеси
контактування, перетікання краплі та її розтікання по верхній підкладці.
Потім із застосуванням цифрової фотокамери, вимірювального мікроскопу
та комп’ютеру заміряли величини динамічних контактних кутів θτ.
Тривалість процесу визначалась за маркерами, що наносились на плівку
світлодіодом.
Результати досліджень та їх обговорення
Зміни у часі динамічних контактних кутів для системи Cu—Sn—Ti—
кубічний нітрид бору наведені на рис. 2, 3 (криві 1, 3). Зокрема, на рис. 2
наведено (зверху вниз) окремі вибрані характерні моменти розтікання
зазначеного активного розплаву по поверхні BN: крапля розплаву
знаходиться на інертній підкладці із CaF2; момент контакту досліджуваної
підкладки із BN (зверху) з розплавом; проміжні стадії перетікання та
розтікання розплаву по підкладці із BN: кінцева стадія процесу розтікання;
Рис. 1. Схема експерименту по вивченню кінетики змочування та
розтікання: 1 — освітлювач; 2 — пластинка із досліджуваного матеріалу;
3 — інертна підкладка; 4 — крапля досліджуваного сплаву; 5 —
швидкісна кінокамера
Fig. 1. Wetting and spreading kinetics experiment diagram: 1 — illuminator;
2 — plate of material studied; 3 — inert plate; 4 — drop of alloy studied; 5 —
high-speed sinecamera
2
3
4
1
4
5
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2007. Вып. 40 22
Рис. 2. Вибрані кадри із кінограми
розтікання розплаву Cu46Sn4Ti50 по
поверхні підкладки із кубічного нітриду
бору (mкраплі = 0,62 г, Т = 1000 °С, v =
= 1500 кадр/с)
Fig. 2. Selected cinema frames of melt
Cu46Sn4Ti50 spreading process over cubic
BN surface (mdrop = 0,62 g, Т = 1000 °С,
v = 1500 frames/s)
як видно, розплав цілком перетік з ниж-
ньої підкладки із CaF2 на верхню із BN.
Досліджувана система характери-
зується високою реакційністю зі
швидким зниженням контактного кута
на першій стадії після здійснення
контакту і значно меншими швид-
костями змочування на наступних
стадіях процесу (рис. 3, криві 1, 3). Так,
у даній системі Cu46Sn4Ti50 — кубічний
BN (при T = 1000 °С) величина θτ
спадає до 75 град приблизно за 0,1 с і
наступне розтікання розплаву до
кінцевого значення близько 25 град
відбувається за ~1,4 с. Додамо, що збіг
кривих 1 та 3 для двох незалежних
дослідів ілюструє добре відтворення
результатів. Як показав проведений ана-
ліз, контактні кути виявляють експо-
ненціальний спад з часом; швидкості
змочування на швидкій стадії склада-
ють приблизно 1,1⋅103 град/с. Окрім
експериментів по кінетиці розтікання
для кубічного нітриду бору, аналогічні
дослідження були проведені й для
гексагональної модифікації BN. Як
видно із рис. 3 (крива 2), хід кривої
змочування гексагонального нітриду
бору схожий з таким для кубічного
нітриду бору (криві 1, 3). Проте
виявляється дещо гірше змочування
підкладки зазначеним активним
сплавом, що може бути пояснено
різною структурою зразків та різним
ступенем шорсткості вивчених
підкладок при їх однаковій обробці.
Зазначимо, що отримані результати по
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2007. Вып. 40 23
Рис. 3. Часові залежності контактного кута змочування для
підкладки із кубічного (1, 3) та гексагонального нітриду бору
(2) активним сплавом Cu46Sn4Ti50. T = 1000 °C, v = 1500 кадр/с
Fig. 3. A plot of wetting contact angle vers. time for active melt
Cu46Sn4Ti50 on cubic BN (1, 3) and hexagonal BN (2) supports.
T = 1000 °C, v = 1500 frames/s
Рис. 4. Часові залежності радіуса краплі змочування для
розплаву Cu46Sn4Ti50 на підкладках кубічного (1) та
гексагонального нітриду бору (2) у процесі розтікання
розплаву. T = 1000 °C, v = 1500 кадр/с
Fig. 4. A plot of radius of wetting spot vers. time for active melt
Cu46Sn4Ti50 on cubic BN (1) and hexagonal BN (2) supports. T =
= 1000 °C, v = 1500 frames/s
0 500 1000 1500 2000
0
50
100
150
200
3
2
1
Θ
,
гр
а
д
час х 103, с
0 500 1000 1500 2000
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
2
1
r,
с
м
час х 103, с
Час⋅103, c
Час⋅103, c
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2007. Вып. 40 24
кінетиці змочування у якісному відношенні подібні до отриманих раніше
для інших керамічних підкладок [9, 10].
Часові залежності радіуса краплі змочування для розплаву Cu46Sn4Ti50
на підкладках із кубічного та гексагонального нітриду бору у процесі
розтікання розплаву наведені на рис. 4. Визначені з цих залежностей
початкові швидкості розтікання складають приблизно 10 см/с. Порівняння
з дослідженими раніше керамічними підкладками, де були зафіксовані
більші швидкості розтікання розплаву, затруднено через нижчу
температуру у даному досліді. Додамо, що розтікання активного сплаву
по підкладці із гексагонального BN (що змочується гірше) відбувається
повільніше, ніж по підкладці із кубічної модифікації (що змочується
краще).
Висновки
Методом високошвидкісної профільної кінозйомки проведено
експериментальне дослідження кінетики швидкого нерівноважного
змочування та розтікання адгезійно-активного розплаву Cu46Sn4Ti50 по
поверхнях кубічного та гексагонального нітриду бору. Встановлено, що
контактні кути виявляють експоненціальний спад із часом; швидкості
змочування складають приблизно 1,1⋅103 град/с. Із аналізу отриманих
даних та їх порівняння з раніше одержаними результатами витікає, що
вірогідним механізмом, який лімітує переміщення рідини на стадії
швидкого розтікання, є хімічна взаємодія рідина—тверде тіло (тобто
утворення зв’язків рідина—тверде тіло).
1. Naka M., Kubo M., Okamoto I. Wettability of silicon nitride by
aluminium, copper and silver // J. Mater. Sci. Lett. — 1987. — 6,
No. 8. — P. 965—966.
2. Nicolas M. G., Peteves S. D. The kinetics of liquid braze spreading //
High Temperature Capillarity / Ed. by N. Eustathopoulos: Proc. of an
Internat. conf. Bratislava, Slovakia, 1994. — Р. 18—27.
3. Rado C., Rocabois P., Kalogeropoulou S., Eustathopoulos N. Kinetics of
wetting of Cu—Si alloys on monocrystalline α-SiC // Ibid. — Р. 143—
147.
4. Chung Y-S., Iseki T. // Ceram J. Soc. Jap. Int. Ed. — 1990. — 98. —
583 р.
5. Найдич Ю. В. О межфазных поверхностных энергиях и краевых
углах смачивания твердых тел жидкостью в равновесных и
неравновесных системах // Журн. физ. химии. — 1968. — 8. —
С. 1946—1951.
6. Попель С. И. Кинетика растекания расплавов по твердым поверхнос-
тям и кинетика смачивания // Aдгезия расплавов и пайка материа-
лов. — 1976. — № 1. — С. 3—28.
7. Найдич Ю. В., Забуга В. Р., Перевертайло В. M. Температурная
зависимость кинетики растекания в системах с различным типом
взаимодействия контактирующих фаз // Aдгезия расплавов и пайка
материалов. — 1992. — № 27. — С. 23—34.
ISSN 0136-1732. Адгезия расплавов и пайка материалов, 2007. Вып. 40 25
8. Eременко В. Н., Koстрова Л. И., Лeсник Н. Д. Влияние взаимной
растворимости контактирующих фаз на кинетику растекания в
системе железо—медь // Там же. — 1992. — № 28. — С. 12—17.
9. Найдіч Ю. В., Григоренко М. Ф., Полуянська В. В. Кінетика змочу-
вання та розтікання Ni та NiPd розплавів по поверхням карбіду крем-
нію та скловуглецю // Там же. — 1999. — № 34. — С. 18—26.
10. Григоренко М. Ф., Полуянська В. В., Черніговцев Є. П., Найдіч Ю. В.
Вивчення кінетики надшвидких процесів змочування та розтікання у
системах активний металічний розплав — керамічна поверхня // Тез.
докл. Международ. конф. “Современное материаловедение:
достижения и проблемы”, Киев, Украина, 2005. — С. 623—624.
11. Найдич Ю. В., Перевертайло В. M., Неводник Г. М. Изучение
кинетики растекания металлов по твердым поверхностям //
Порошковая металлургия. — 1972. — № 7. — С. 51—55.
12. Найдич Ю. В., Перевертайло В. M., Неводник Г. M. Автоматизиро-
ванная установка для изучения сверхбыстрых процессов растекания
металлических расплавов // Завод. лаб. — 1976. — № 1. — С. 39—40.
Надійшла 01.11.07
Grigorenko M. F., Poluyanskaya V. V., Chernigovtsev E. P.
The wetting and spreading kinetics studies of adhesive-active Cu—Sn—Ti
melts over superhard materials surfaces of BN
The wetting and spreading kinetics of Cu—Sn—Ti melt over cubic and
hexagonal BN surfaces was studied by means of a high-speed profile filming
(up to 5000 frames/s) in a vacuum at 1000 °C.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4310 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0136-1732 |
| last_indexed | 2025-12-07T16:41:30Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины |
| record_format | dspace |
| spelling | Григоренко, М.Ф. Полуянська, В.В. Черніговцев, Є.П. 2009-10-06T10:34:29Z 2009-10-06T10:34:29Z 2007 Дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору / М.Ф. Григоренко, В.В. Полуянська, Є.П. Черніговцев // Адгезия расплавов и пайка материалов. — 2007. — № 40. — С. 20-25. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 0136-1732 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4310 548.52 Наведено результати експериментального дослідження методом високошвидкісної
 профільної кінозйомки (до 5000 кадр/с) у вакуумі при 1000 оС кінетики змочування та
 розтікання розплаву Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору BN. The wetting and spreading kinetics of Cu—Sn—Ti melt over cubic and
 hexagonal BN surfaces was studied by means of a high-speed profile filming
 (up to 5000 frames/s) in a vacuum at 1000 °C. Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия Дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору The wetting and spreading kinetics studies of adhesive-active Cu—Sn—Ti melts over superhard materials surfaces of BN Article published earlier |
| spellingShingle | Дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору Григоренко, М.Ф. Полуянська, В.В. Черніговцев, Є.П. Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия |
| title | Дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору |
| title_alt | The wetting and spreading kinetics studies of adhesive-active Cu—Sn—Ti melts over superhard materials surfaces of BN |
| title_full | Дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору |
| title_fullStr | Дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору |
| title_full_unstemmed | Дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору |
| title_short | Дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів Cu—Sn—Ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору |
| title_sort | дослідження кінетики змочування та розтікання адгезійно-активних розплавів cu—sn—ti по поверхнях надтвердих матеріалів із нітриду бору |
| topic | Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия |
| topic_facet | Поверхностные свойства расплавов и твердых тел, смачивание, адгезия |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4310 |
| work_keys_str_mv | AT grigorenkomf doslídžennâkínetikizmočuvannâtaroztíkannâadgezíinoaktivnihrozplavívcusntipopoverhnâhnadtverdihmateríalívíznítriduboru AT poluânsʹkavv doslídžennâkínetikizmočuvannâtaroztíkannâadgezíinoaktivnihrozplavívcusntipopoverhnâhnadtverdihmateríalívíznítriduboru AT černígovcevêp doslídžennâkínetikizmočuvannâtaroztíkannâadgezíinoaktivnihrozplavívcusntipopoverhnâhnadtverdihmateríalívíznítriduboru AT grigorenkomf thewettingandspreadingkineticsstudiesofadhesiveactivecusntimeltsoversuperhardmaterialssurfacesofbn AT poluânsʹkavv thewettingandspreadingkineticsstudiesofadhesiveactivecusntimeltsoversuperhardmaterialssurfacesofbn AT černígovcevêp thewettingandspreadingkineticsstudiesofadhesiveactivecusntimeltsoversuperhardmaterialssurfacesofbn |