Чернение металла востребовано в различных сферах производства, однако чаще всего используется для декоративных целей в ювелирном деле и различных ремеслах.
Оцинковка металла является наиболее простым и дешевым способом его защиты от образования ржавчины. Наиболее популярным является метод горячей оцинковки.
Хорошо известно, что для получения качественной пайки необходимо прежде всего, чтобы атомы расплавленного припоя вступили в непосредственный контакт с поверхностными атомами твердого металла, т. е. чтобы произошло смачивание.
Возможность смачивания определяется характером происходящего при этом изменения свободной энергии системы; расплавленный припой способен смачивать поверхность твердого металла только в том случае, если свободная энергия системы при этом будет уменьшаться.
Если силы притяжения между атомами припоя и твердого металла (адгезия) больше сил притяжения между соседними атомами припоя (когезия), то процесс смачивания будет протекать с выделением тепла, т. е. с уменьшением свободной энергии системы, а следовательно, смачивание будет хорошим. Факт выделения тепла при смачивании, свидетельствующий о происходящем при этом энергетическом сцеплении атомов твердого тела и жидкости, был еще в прошлом столетии экспериментально установлен Лесли и Пуйе.
Высказывают мнение, что наилучшим смачиванием обладают металлы с широким пределом взаимной растворимости. Действительно, например, хром, не смешивающийся с оловом ни в твердом, ни в жидком состоянии, совершенно не смачивается им. Однако более тщательные исследования показывают, что при определенных условиях хорошее смачивание может быть получено даже для взаимно нерастворимых металлов.
Как видно из диаграммы состояния, свинец и железо совершенно не смешиваются ни в твердом, ни в жидком состоянии. На основании этого можно предположить, что расплавленный свинец не будет смачивать поверхности твердого железа. Между тем наши опыты показали, что с помощью специально подобранных флюсов можно не только уменьшить величину краевого угла смачивания, но и сделать ее практически равной нулю, т. е. получить полное растекание свинца по железу.
Теоретические соображения и экспериментальные данные показывают, что величина краевого угла смачивания находится прежде всего в прямой зависимости от величин поверхностного натяжения. Как известно, атом (или точнее положительно заряженный ион) внутренних слоев металлического расплава находится во взаимодействии со всеми окружающими его соседними атомами. Ввиду того, что силы взаимодействия направлены равномерно во все стороны, равнодействующая их равна или близка к нулю; поэтому внутренний атом (если пренебречь изменением притяжения за счет тепловых колебаний атомов) находится в состоянии относительного равновесия.
Атом, находящийся на поверхности металлического расплава, взаимодействует, с одной стороны, с нижележащими металлическими атомами, а с другой—лишь с молекулами находящейся над металлом газовой среды и атомами металла в парообразном состоянии. Ввиду того, что упругость паров металла над его поверхностью весьма незначительна, а силы взаимодействия атомов металла с молекулами газа малы, равнодействующая сил, действующих на поверхностные атомы, не равна нулю и направлена внутрь металла нормально к поверхности. Эта равнодействующая создает атомарное давление, под влиянием которого поверхностные атомы стремятся переместиться с поверхности внутрь.
Вместе с тем под влиянием теплового движения некоторые атомы наоборот перемещаются изнутри на поверхность. Однако влияние атомарного давления преобладает и количество атомов, переходящих с поверхности внутрь, значительно превышает количество атомов, идущих им навстречу. Этим объясняется, что поверхность расплава стремится сократиться до пределов, возможных для данного объема жидкости.
После того как поверхность расплавленного металла сократится до наименьшей возможной величины, устанавливается подвижное равновесие, при котором число атомов, переходящих с поверхности внутрь расплава под действием сил атомарного давления, становится равным числу атомов, выходящих изнутри на поверхность под действием теплового движения. Силы притяжения поверхностных атомов внутрь компенсируются силами упругого сжатия внутренних слоев.
По этой причине поверхностный слой находится в упруго напряженном состоянии. Под влиянием этого на поверхности металла образуется слой, обладающий особыми свойствами. Создается впечатление, что поверхность металла как бы покрыта стремящейся сократиться упругой пленкой. Однако это впечатление только кажущееся; в действительности же, как это не трудно представить, направленные вдоль поверхности тела тангенциальные составляющие сил межатомного взаимодействия взаимно уравновешены.
Таким образом, атомы поверхностного слоя обладают большим запасом потенциальной энергии, по сравнению с атомами, расположенными во внутренних слоях. Избыток сосредоточенной на поверхности металла энергии, отнесенный к единице поверхности, называется удельной свободной энергией поверхности или просто — поверхностной энергией. Численно удельная поверхностная энергия а равна работе изотермического обратимого образования единицы поверхности жидкого или твердого тела и измеряется обычно в эрг/см2.
Стремление свободной энергии поверхности к минимуму приводит к самопроизвольному сокращению поверхности; по этой причине, например, свободно взвешенная, не подвергающаяся действию силы тяжести капля неизбежно принимает форму шара, обладающего, как известно, наименьшей поверхностью для данного объема. В практике для простоты пользования поверхностное натяжение выражают абстрактной (реально не существующей) силой, приложенной к единице длины и направленной вдоль поверхности раздела; эту силу измеряют в дин/см.
Силы межатомного взаимодействия для металлов в твердом состоянии идентичны по своей природе силам, действующим в расплаве, и отличаются лишь различием подвижности металлических атомов (или точнее ионов). Поверхность твердых металлов, так же как и их расплавов, обладает запасом свободной поверхностной энергии, только в этом случае величина энергии в разных точках поверхности различна. Как теоретические вычисления, так и экспериментальные определения (проведенные главным образом на солях) поверхностной энергии твердого металла представляют собой большие трудности, поэтому надежные данные о величинах поверхностной энергии твердых металлов почти отсутствуют.
Смачиваемость поверхности твердого металла расплавом, как мы увидим ниже, в значительной, если не решающей, степени зависит от величины поверхностного натяжения на границе раздела между твердым и жидким металлом. Чем меньше эта величина, тем легче происходит смачивание. Определение истинной величины межфазного поверхностного натяжения не менее затруднительно, чем определение поверхностного натяжения твердого тела. Методы прямого измерения этой величины в настоящее время не известны, предпринимаются лишь попытки косвенного изучения ее.
Определение величины поверхностного натяжения заставленных металлов в сильной степени осложняется необходимостью проведения измерений при высоких температурах. Методы измерения поверхностного натяжения делятся на статические, основанные на изучении равновесия между внешними силами и поверхностным натяжением и динамические, основанные на изучении зависимости некоторых видов колебания жидкости от поверхностного натяжения ее.
Поверхностное натяжение олова и свинца определялось в работах значительного количества исследователей; ввиду того что эти работы выполнены в различных условиях и с различной точностью, результаты их имеют весьма большой разброс.
Часто во время осуществления сварки или пайки металлов и их сплавов возникают неожиданные проблемы. О многих из них мы и поговорим в разделе «вопросы и
ответы»
Эмалирование металлов – технология, которая позволяет наносить на поверхность изделий из стали специальный защитный слой, отличающийся великолепными эстетическими
свойствами.
