Formation of Contact Interaction Zones during Infiltration of Composite Materials Depending on Binder Composition
Loading...
Date
2025
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Chuiko Institute of Surface Chemistry of NAS of Ukraine, Kyiv
Abstract
ENG: In the production of macro-heterogeneous composite materials with a metal matrix by the oven infiltration method, it is necessary to control the contact interaction processes occurring at the filler and binder interfaces. The width of the resulting contact interaction zones at the interfaces is an indicator of intensity of these processes. The intensity of contact interaction processes depends on many factors, including the binder alloy composition. The paper examines the effect of binder alloying components on the change in the surface tension of the binder alloy, and, so on the intensity of contact interaction processes occurring at the interfaces during infiltration of composite materials. Calculations of changes in the surface tension of iron-based binder upon alloying with C, P, B and Mo are presented using the formalism of the electrochemical interaction of regular solutions. The iron melt was considered as a solvent, while C, B, P and Mo were considered as dissolved components. It was taken into account that formation of an interface resulted in the appearance of unbalanced charges and energetic influence on the ions distributed in the melt. Adsorption of dissolved components on the filler surface decreased the surface tension of the binder. When estimating the thickness of the layer of excess ion concentration at the surface, we assumed that the binder surface tension depended on the number of adsorbed ions. Our calculations were expressed in accordance with the concept of mole equivalent. It is found that alloying of the Fe–C–B–P binder with Mo causes a decrease in the difference between the surface tension values of the alloyed binder and pure iron melt by 28.5 %, and, accordingly, 22.6 % reduction of thickness of the layer of excess ion concentration. The results obtained were compared with the results of experimental works with regard to composite materials with W–C fillers and iron binders alloyed with C, B, P, and Mo. It is determined that when the Fe–C–B–P binder is alloyed with Mo the width of contact interaction zones in the composite materials decreases by 15–20 %. Therefore, the results of calculations using the proposed method for changing the thickness of the layer of excess ions at the interfaces when alloying the binder correlate with the experimental data for changes in the width of contact interaction zones of composite materials.
UKR: При отриманні макрогетерогенних композиційних матеріалів з металевою матрицею способом пічного просочення необхідно здійснювати контроль процесів контактної взаємодії, що відбуваються на межі поділу між наповнювачем та зв’язкою. Ширина зон контактної взаємодії, що утворюються, на межі поділу є показником інтенсивності цих процесів. Інтенсивність процесів контактної взаємодії залежить від багатьох факторів, у тому числі від складу сплаву-зв’язки. В роботі досліджено вплив легуючих зв’язку компонентів на зміну поверхневого натягу сплаву-зв’язки, і відповідно на інтенсивність процесів контактної взаємодії, що відбуваються на межі поділу при просоченні композиційних матеріалів. Наведено розрахунки зміни поверхневого натягу зв’язки на основі заліза при легуванні С, Р, В та Мо, використовуючи формалізм електрохімічної взаємодії регулярних розчинів. Розплав заліза розглядали як розчинник, а С, В, Р та Мо як розчинені компоненти. Враховували, що утворення поверхні поділу викликає появу незбалансованих зарядів та енергетичного впливу на розподілені у розплаві іони. Адсорбція розчинених компонентів на поверхні наповнювача знижувала поверхневий натяг зв’язки. При оцінці товщини шару надмірної концентрації іонів біля поверхні приймали, що від кількості адсорбованих іонів залежить поверхневий натяг зв’язки. Проведені розрахунки виражали відповідно до поняття моль-еквівалент. Отримано, що легування Мо зв’язки Fe–C–B–P викликає зменшення різниці поверхневого натягу легованої зв’язки та чистого розплаву заліза на 28.5 %, і відповідно зменшення товщини шару надлишкової концентрації іонів на 22.6 %. Отримані результати порівнювали з результатами експериментальних робіт для композиційних матеріалів з наповнювачами W–C і залізними зв’язками, легованими С, В, Р і Мо. Визначено, що при легуванні Мо зв’язки Fe–C–B–P ширина зон контактної взаємодії в композиційних матеріалах зменшується на 15–20 %. Таким чином, результати розрахунків запропонованим методом зміни товщини шару надлишкової концентрації іонів на межі поділу при легуванні зв’язки корелюють з експериментальними даними зміни ширини зон контактної взаємодії композиційних матеріалів.
UKR: При отриманні макрогетерогенних композиційних матеріалів з металевою матрицею способом пічного просочення необхідно здійснювати контроль процесів контактної взаємодії, що відбуваються на межі поділу між наповнювачем та зв’язкою. Ширина зон контактної взаємодії, що утворюються, на межі поділу є показником інтенсивності цих процесів. Інтенсивність процесів контактної взаємодії залежить від багатьох факторів, у тому числі від складу сплаву-зв’язки. В роботі досліджено вплив легуючих зв’язку компонентів на зміну поверхневого натягу сплаву-зв’язки, і відповідно на інтенсивність процесів контактної взаємодії, що відбуваються на межі поділу при просоченні композиційних матеріалів. Наведено розрахунки зміни поверхневого натягу зв’язки на основі заліза при легуванні С, Р, В та Мо, використовуючи формалізм електрохімічної взаємодії регулярних розчинів. Розплав заліза розглядали як розчинник, а С, В, Р та Мо як розчинені компоненти. Враховували, що утворення поверхні поділу викликає появу незбалансованих зарядів та енергетичного впливу на розподілені у розплаві іони. Адсорбція розчинених компонентів на поверхні наповнювача знижувала поверхневий натяг зв’язки. При оцінці товщини шару надмірної концентрації іонів біля поверхні приймали, що від кількості адсорбованих іонів залежить поверхневий натяг зв’язки. Проведені розрахунки виражали відповідно до поняття моль-еквівалент. Отримано, що легування Мо зв’язки Fe–C–B–P викликає зменшення різниці поверхневого натягу легованої зв’язки та чистого розплаву заліза на 28.5 %, і відповідно зменшення товщини шару надлишкової концентрації іонів на 22.6 %. Отримані результати порівнювали з результатами експериментальних робіт для композиційних матеріалів з наповнювачами W–C і залізними зв’язками, легованими С, В, Р і Мо. Визначено, що при легуванні Мо зв’язки Fe–C–B–P ширина зон контактної взаємодії в композиційних матеріалах зменшується на 15–20 %. Таким чином, результати розрахунків запропонованим методом зміни товщини шару надлишкової концентрації іонів на межі поділу при легуванні зв’язки корелюють з експериментальними даними зміни ширини зон контактної взаємодії композиційних матеріалів.
Description
E. Shtapenko: ORCID 0000-0001-7046-3578; Yu. Syrovatko: ORCID 0000-0001-5288-0351; O. Levkovich: ORCID 0000-0003-2303-8661
Keywords
composite materials, binder alloy, surface tension, adsorption, contact interaction zone width, композиційні матеріали, сплав-зв’язка, поверхневий натяг, адсорбція, ширина зон контактної взаємодії, КПМ, КВМ
Citation
Shtapenko E., Syrovatko Yu., Levkovich, O. O. Formation of Contact Interaction Zones during Infiltration of Composite Materials Depending on Binder Composition. Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni. 2025. Vol. 16, No. 1. P. 75–82. DOI: https://doi.org/10.15407/hftp16.01.075.