Материал: Теория литейных процессов.

неметаллическими включениями. Металлы с высокой температурой плавления обладают, как правило, более высоким поверхностным натяжением, чем легкоплавкие металлы. Поверхностное натяжение при литье достигает еще более высоких значений вследствие неизбежного окисления металлов. Например, форма из смеси на основе кварцевого песка для железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов) является несмачиваемой. Однако из-за быстрого окисления поверхности расплава стали и чугунов на их поверхности образуется пленка из оксидов железа, которая является причиной повышения смачиваемости. Если в стали и чугуне содержится алюминий, то на их расплаве образуется пленка оксида алюминия, поверхностное натяжение повышается и форма плохо смачивается металлом.

Наибольшей поверхностной активностью обладают О, S, N, а затем Мп. Другие элементы (Si, Сг, С, Р) сравнительно неактивны в жидком железе.

3.4.2.Методы определения поверхностного натяжения

Влитературе выделяют следующие методы определения поверхностного натяжения металлов: метод отрывающейся капли, метод капиллярного поднятия, метод максимального давления, метод висячей капли и др.

При определении поверхностного натяжения методом максимального

давления (рис. 3.9) в расплав через трубу (капилляр d»2 мм) медленно подается газ. С увеличением давления газа пузырек увеличивается, и при определенном критическом размере, превышающем радиус трубки, происходит отрыв пузырька. Описание процесса через гидростатическое давление позволяет получить уравнение

используемой для определения давления. Погрешность определения сг< 0,3 %. Метод отрывающейся капли основан на использовании уравнения

<т = kmgh\ описывающего отрыв капли жидкости. Величина т - масса капли, отрывающейся от вертикальной круглой трубки радиусом г. Величина к для условия 0,8 < (v/r3) < 4(v - объем капли) приблизительно равна 0,26, что позволяет по массе капель определить относительное поверхностное натяжение при известном о*0 стандартной жидкости. При этом используется формула

Объемы V и Vo определяются по числу капель N, на которые распадается известный объем жидкости (v = VIN и v0 = V0/No).

Метод измерения формы капли (статистический) основан на том факте, что конечная форма капли расплава является результатом действия сил гравитации и поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение стремится

Башфорт и Адамс предложили формулу расчета смачиваемости по величине угла sin (р:

где В - радиус в вершине капли; X - горизонтальная координата поверхности; Z - вертикальная координата поверхности; (р - угол между осью вращения в точке контакта капли с твердой фазой и радиусом кривизны.

Современный метод определения поверхностного натяжения - метод рентгеновского просвечивания капли металла на установке «Параболоид-3М». В качестве генератора рентгеновских лучей используется рентгеновская трубка (аппарат УРС-55), позволяющая получать контрастные снимки.

Капиллярная постоянная а2характеризует кривизну и форму поверхности раздела между жидкой и газообразной фазами в лежащей капле.

Связь между параметрами капли и капиллярной постоянной выражается

g - ускорение тяжести.

В связи с тем, что общее уравнение поверхности раздела не интегрируется в элементарных функциях, предложен целый ряд приближенных аналитических решений, которые пренебрегают малыми членами. Используются те приближенные решения, которые позволяют по параметрам d и Л, полученным из эксперимента, находить величину капиллярной постоянной. При вычислении под Ad понимается плотность исследуемого металла, т. е. плотностью инертной газовой фазы (среды) пренебрегают ввиду ее малости в сравнении с плотностью металла.

Предлагается следующее приближенное аналитическое решение общего уравнения поверхности раздела исходя из того, что капля жидкого металла рассматривается как усеченный эллипсоид вращения относительно оси Z (рис. 3.10-3.11).

где /?, Л0, К - параметры капли, определенные по предложенным формулам, разработанные на основании таблиц Башфорта и Адамса; т - масса капли.

Полученные выражения (3.89) и (3.90) для определения капиллярной постоянной и радиуса кривизны в вершине капли исключают необходимость вычисления последовательными приближением, так как определяемые величины представлены в явном виде в зависимости от измеряемых параметров d= 0,5d\ и Л.

3.5. Тепловые свойства жидких металлов

Теплота плавления q некоторых металлов указана в табл. 3.4. Если сравнивать теплоты плавления, выраженные в Дж/г, то бросается в глаза очень большая разница в величинах. У легкоплавких металлов - олова, висмута, цинка - теплота плавления составляет несколько десятков джоулей на 1 г; у меди, никеля, железа она измеряется величиной в 200-300 Дж/г; у магния и алюминия теплота плавления приближается к 400 Дж/г. Очень большие теплоты плавления имеют кремний и бериллий - 1800 и 1590 Дж/г, что в 20-30 раз больше, чем у олова и висмута. Однако если учесть, что теплота плавления отражает энергию, необходимую для разрушения кристаллической решетки, в

приходящиеся на один моль металла. Эта энергия необходима для разрушения такого объема кристаллической решетки, в узлах которой находится совершенно одинаковое число атомов - 6,03-1023 (число Авогадро). Переход к атомной теплоте плавления, выраженной в кДж/моль (см. последнюю графу табл. 3.4), дает возможность увидеть, что у типичных металлов, обладающих четко выраженной металлической связью в кристаллической решетке, атомная теплота плавления составляет 4—18 кДж. Бериллий теперь не выпадает из общего ряда металлов, так как у него атомная теплота плавления равна 14,3 кДж. Как видно, наблюдается заметное возрастание этой характеристики - от 4,3-6,8 кДж у свинца и цинка до 13,9-17,5 кДж у железа и никеля. Это объясняется тем, что температура плавления также отражает энергию межатомных связей кристаллической решетки.

Теплота плавления металлов

По атомной теплоте плавления из ряда металлов выпадают олово, висмут и особенно германий и кремний. Германий и кремний имеют так называемую алмазную кристаллическую решетку с очень прочными ковалентными связями между атомами. Именно поэтому у них очень большая атомная теплота плавления, превосходящая теплоту плавления металлов в 3-4 раза. Олово и висмут обладают нехарактерными для металлов рыхлыми кристаллическими структурами, в которых имеется значительная доля ковалентных связей, что и отражается в повышенных величинах атомной теплоты плавления - 7.0- 8,8 кДж вместо ожидаемых 4 кДж.

Теплоемкость жидких металлов указана в табл. 3.5, где приведены значения теплоемкости вблизи точек кристаллизации. По сравнению с теплоемкостью твердого металла при точке плавления эти значения примерно в 1.1- 2,5 раза больше. Какой-либо закономерности не усматривается при сравнении теплоемкости, выраженной в Дж/г. Атомная теплоемкость у жидких металлов составляет 29-40 Дж/(моль К) и явно возрастает с увеличением температуры плавления металлов. Причины этого те же, что и в случае атомной теплоты плавления.