Материал: Теория литейных процессов.

Температурная зависимость электросопротивления металла описывается уравнением

где а-температурный коэффициент электросопротивления. Электросопротивление металла обусловлено движением заряженных

частиц (электронов и ионов) и зависит от количества носителей заряда и их подвижности. Подвижность электронов определяется в основном длиной свободного пробега электронов, которая в свою очередь зависит от рассеяния электронов.

Вквантовой теории проводимости электрон рассматривается как частица, обладающая волновыми свойствами, а движение электронов - как процесс распространения электронных волн.

Рассеяние электронных волн вызывается искажениями в решетке металла, причем эти дефекты должны по размерам превосходить длину электронной волны. Центрами рассеяния в первую очередь являются искажения решетки, возникающие вследствие тепловых колебаний ее узлов.

Источниками рассеяния электронных волн также являются примеси в металлах, искажающие решетку.

Вслучае образования разбавленных растворов (расплавов) их удельное сопротивление, согласно правилу Матиссена, можно представить в виде двух слагаемых:

Эта формула является приближенной, особенно при высоких температурах, и она справедлива при содержании примесей до 1,0 ат. %.

Согласно правилу Линда, добавочное сопротивление, вызываемое содержанием примесей 1 ат. %, пропорционально квадрату разности

Механизм электрической проводимости в металлических расплавах и твердых металлах принципиально не различается. Электропроводимость в жидких металлах также определяется взаимодействием электронов проводимости, сложным электрическим полем ионов и оставшихся связанными электронов.

При плавлении удельное электросопротивление возрастает: для щелочных и щелочно-земельных элементов эта величина составляет 1,5-1,8; для Al, Sn, Pb и др. - 2,0-2,21, а для Fe, Со, W - 1,05-1,08 раза.

Температурный коэффициент электросопротивления а в жидком состоянии меньше, чем в твердом.

Иной механизм и характер электропроводимости имеют расплавленные шлаки. Она близка к электропроводимости типичных электролитов (хлористых солей щелочных металлов) и зависит от состава шлака и температуры. Это является одним из доказательств ионной теории строения шлаковых расплавов.

Ионная структура оксидных расплавов предопределяет их преимущественно ионную проводимость. Подвижность ионов в шлаковых расплавах определяется в первую очередь размерами катионов и анионов и силами взаимодействия между ними. Наименьшими размерами обладают катионы, поэтому можно считать, что перенос тока в жидких шлаках под воздействием электрического поля осуществляется катионами. На подвижность катионов влияют анионное окружение и температура расплава. Повышение температуры увеличивает проводимость шлаковых расплавов, причем при плавлении электропроводимость резко возрастает.

Для ионных расплавов по Френкелю проводимость определяется формулой

где Еа - энергия активации, необходимая для перехода носителя тока (иона или дырки) из одного положения равновесия в другое.

Ig сгот х!т- прямая линия.

Для металлов, согласно Мотту, соотношение рж/ргВ может быть определено:

где стпл - теплота плавления; 7^ - температура плавления; R - постоянная Больцмана.

3.4.Поверхностное натяжение

Известно, что поверхность расплавленных металлов, как и других жидкостей, стремится к самопроизвольному сокращению. Этот факт говорит о существовании свободной энергии поверхности, т. е. о необходимости затраты определенной работы для образования поверхности.

На поверхности раздела жидкий металл - насыщенный пар существует асимметрическое силовое поле, т. е. силы взаимодействия атомов, находящихся в граничном слое, с атомами в объеме жидкого металла оказываются некомпенсированными. Асимметрия силового поля обусловливает повышение величины свободной энергии. Эта избыточная свободная энергия (для изобарной среды), отнесенная к единице поверхности, называется удельной свободной энергией (Дж/м2) или поверхностным натяжением (Н/м2). Следовательно, поверхностное натяжение характеризует работу образования 1 см2 поверхности жидкости А на границе ее с насыщенным паром, т. е. величина поверхностного натяжения измеряется работой А изотермического обратимого образования единицы площади S поверхности раздела двух фаз,

находящихся в равновесии, или силой, необходимой для увеличения периметра поверхности, на сумму длины /:

или ст=Ш (злз)

Поверхностное натяжение отражает характер и величину сил межчастичного взаимодействия и является структурно-чувствительным

где А/об - число связей частиц в объеме; Nnoü - число их в поверхностном слое; F„3G- избыточный изохорно-термический потенциал; V - мольный объем; / - структурный фактор.

При производстве чугуна и стали поверхностные явления играют решающую роль. Исключительно велико значение адсорбционных процессов в механизме и кинетике восстановления оксидов, разложении различных соединений. Рафинирование металла при окислительной плавке также связано с поверхностными явлениями. Без их учета при производстве цветных металлов иногда нельзя найти правильное решение теоретических и практических вопросов. Поверхностное натяжение особую роль играет при получении отливок из различных сплавов. Оно влияет на зарождение фаз в сплаве, на взаимодействие кристаллизующегося металла со стенками формы (на жидкотекучесть и заполняемость). Присутствие поверхностно-активных примесей изменяет строение и свойства границ раздела фаз, что существенно влияет на поверхностное натяжение. Изменение поверхностного натяжения происходит при концентрации примеси 1 0 ~ 7- 1 ( Г 8 % по массе.

3.4.1. Поверхностное натяжение и смачиваемость

Термодинамика рассматривает поверхностное натяжение как меру

Отсюда видно, что самопроизвольными могут быть только те процессы, которые сопровождаются уменьшением поверхности раздела фаз, поскольку только в этом случае ds < 0 и dz < 0.

Отдельные атомы внутри расплава связаны между собой взаимно уравновешивающими силами. Однако на поверхности расплава, где жидкость контактирует с другой средой (газовой фазой, стенкой формы), атомы металла имеют меньше соседей и возникают силы поверхностного натяжения, направленные внутрь расплава, перпендикулярно к поверхности.

Коэффициент поверхностного натяжения влияет на смачиваемость формы расплавом. Смачивание формы способствует, с одной стороны,

Поверхностное натяжение жидкости на границе с газовой фазой гтж.г часто называют просто поверхностным натяжением жидкости о.

Работа адгезии, характеризующая сцепление металлического расплава со стенкой формы, в значительной степени определяет чистоту поверхности отливки. Чем больше работа адгезии, тем сильнее сцепление расплава с формой.

Высота поднятия (опускания) жидкости в капилляре (рис. 3.7), например расплава в порах литейной формы, определяется из условия равенства капиллярного давления Рк и металлостатического давления столба расплава Рм:

где Л - высота поднятия жидкости в капилляре, м; а - поверхностное натяжение жидкости, Н/м; г - радиус капилляра, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; р - плотность жидкости, кг/м3; 0 - краевой угол смачивания жидкостью поверхности капилляра, град.

Рм= pgll

Рк= — cos 0

г

rgp

Рис. 3.7. Проникновение расплава в капилляр

На рис. 3.8 приведены расчетные схемы сил и давлений на границе расплав - форма.

Если силы, связывающие атомы, больше сил взаимодействия между ними и другой средой, например стенкой формы, то вследствие неуравновешенности сил поверхность жидкого металла приобретает выпуклую форму. Напряжение, возникающее на границе контакта между формой и расплавом, при этом уравновешивается некоторым повышением уровня металла над местом контакта. Форма оказывает противодействие контакту металла с ней, т. е. она