Методы определения плотности металлических расплавов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Методы определения плотности металлических расплавов

24.06.2021

Значения плотности жидких металлов широко используют при изучении контактных явлений в трехфазной системе металлический расплав — твердое тело — газ, а также при оценке структурного состояния жидких металлов. Изучение плотности жидких металлов приобретает важное значение при определении других физико-химических характеристик жидких металлов. Так, например, изучение вязкости жидких тугоплавких металлов V и VI групп затруднено из-за сильного их взаимодействия с большинством известных в настоящее время материалов. Поэтому большое значение приобретает определение плотности этих металлов, по значениям которой можно рассчитать величину вязкости и другие характеристики расплавов.

В экспериментальной практике используют различные методы определения плотности. Один из широко применяемых методов определения плотности металлических расплавов — метод капиллярного поднятия жидкой фазы в трубке (капилляре). Использование этого метода требует знания таких характеристик расплавов, как, например, поверхностное натяжение (ужг). В основу этого метода положено уравнение капиллярности:

где R1, R2 — главные радиусы кривизны мениска в его вершине, рад; AP — разность давлений по обе стороны вогнутой поверхности мениска в капилляре, Па; рж, рг — плотность жидкости и газа соответственно, г/см3; z — вертикальная координата точки на поверхности мениска, g — ускорение силы тяжести, м/с2.

Высота поднятия (h) жидкой фазы в капилляре будет определяться параметрами, приведенными в уравнении

Метод капиллярного поднятия может быть пригоден для определения плотности жидких металлов, температура плавления которых невысока. Для определения плотности жидких тугоплавких металлов V и VI групп и исследования влияния углерода на величину ужг в экспериментальной практике применяют другие методы. Один из них — метод покоящейся капли. В основу этого метода положена возможность определения формы поверхности жидкой металлической капли, покоящейся в поле силы тяжести на плоской горизонтальной поверхности твердого тела. Форма поверхности жидкости в поле силы тяжести, представляющая собой поверхность вращения, может быть выражена с учетом первого закона капиллярности в виде

где r1 — радиус кривизны поверхности в плоскости меридионального сечения капли; r0 = R1 = R2 — радиусы кривизны поверхности капли в ее вершине; х, z — координаты точки на поверхности жидкости.

После определения координат точки на поверхности жидкой капли металла можно определить плотность жидкого металла при известных значениях поверхностного натяжения уж.г. Практическое решение этой задачи сводится к определению параметров х, z и 0 — координат контура капли, зафиксированного на фотоснимке. Определение x, z и 0 координат контура капли, проводят при условии, что 0 > 90°. Пользуясь таблицами Башфорта и Адамса, определяют значения x/r0, z/r0 в зависимости от величин 0 и в (где в и r0 определяют из таблиц при известных значениях х, z и 0). Окончательно для определения плотности капли при известных значениях уж.г может быть использовано уравнение

Однако значительно проще определить плотность жидкого металла с использованием метода покоящейся капли, если имеется уравнение формы поверхности капли, с помощью которого рассчитывается объем капли, а следовательно, и плотность жидкого металла. (При взвешивании масса жидкого и твердого металла одинакова.)

Для определения плотности жидких тугоплавких металлов применяют также метод «большой капли». Этот метод предусматривает использование чашки (сосуда), изготовленной из материала, температура плавления которого превышает температуру проведения эксперимента. Материал чашки не должен растворяться в жидком металле. При проведении эксперимента должно выполняться условие а1 > а2. В основании капли металла лежит круг, воспроизводящий контур чашки. Задаваясь приближенными значениями поверхностного натяжения (уж.г), плотности (рж), максимального диаметра (d) и угла а по формуле

определяют значение функции 1/H= f(d/2h) (А — расстояние от вершины капли до ее максимального диаметра).

С помощью таблиц Башфорта определяют отношение d/2H, а также объем капли жидкого металла с учетом величины отношения d/2h и а1. Суммируя объем капли металла, возвышающейся над уровнем кромки чашки, и объем металла, находящегося в объеме чашки после взвешивания (за вычетом веса чашки), можно определить плотность жидкого металла. При определении плотности жидкого металла рассматриваемым методом необходимо учитывать изменение внутреннего объема чашки с изменением температуры. Однако перечисленные выше методы определения плотности жидких металлов предусматривают необходимость контакта капли металлического расплава с материалом подложки или другим твердым телом. Такой контакт сопровождается загрязнением жидкого металла.

Метод «падающей капли» позволяет определять плотность жидких металлов и исключить возможность активного загрязнения жидкого металла при месными элементами. Экспериментальное определение плотности жидкою металла с применением рассматриваемой методики заключается в вычислении объема свободно падающей капли исследуемого жидкого металла в вакууме, вес которой определяется после опыта. В целях исключения возможного контакта металла с материалом тигля формирование капли жидкою металла осуществляется путем оплавления конца стержня исследуемою металла. Каплю жидкого металла фотографируют в процессе свободного падения. Пo полученным фотоснимкам определяют объем капли и после ее в взвешивания — плотность. Расчет объема летящей капли основан на предположении о симметричности капли в плоскости, перпендикулярной изображению, полученному с помощью киносъемки. Отклонение формы капли от тела вращения при свободном падении не превышает 1—3 %. Расчет объема капли жидкого металла проводится следующим образом. Объем верхнего и нижнего шаровых сегментов рассчитывают по уравнению

При достаточно большом количестве сечений можно упростить расчет, считая каждый слой цилиндром высотой h и диаметром, равным ширине шарового слоя на высоте h/2. В целях определения достоверности методики могут быть проведены сравнительные эксперименты для металлов, плотность которых известна.

Метод «падающей» капли позволяет определять плотность жидкого металла лишь при температуре его плавления. Тем не менее с помощью этого метода определена плотность большинства тугоплавких металлов в жидком состоянии.

Оплавление конца металлического стержня для образования капли проводят в электронной печи с кольцевым катодом в вакууме не хуже 6,65 мПа. В кольцевой катод с небольшой скоростью вводят пруток из исследуемого металла. Профильная скоростная киносъемка позволяет фиксировать все стадии образования, роста, отрыва и падения капли расплавленного металла. В нижней части вакуумной камеры электронной печи расположена медная водоохлаждаемая изложница для сбора падающих капель металла. Схема установки показана на рис. 6.2.
Методы определения плотности металлических расплавов

Диаметр стержней зависит от поверхностного натяжения и плотности исследуемого металла. Обычно он составляет 1—3 мм. На конце стержня целесообразно делать утолщение, по форме напоминающее каплю. В этом случае можно существенно уменьшить длину оплавляемого прутка.

Для определения истинных размеров капли перед каждым опытом снимается эталон. Желательно использовать скоростную киносъемку со скоростью около 100 кадров в секунду. Достаточная точность измерений достигается при использовании съемочной аппаратуры, рассчитанной на 35-мм пленку. Измерения размеров капли на негативе проводят с помощью измерительного микроскопа.

Капля расплавленного металла в состоянии свободного полета, особенно в его начале, имеет яйцеобразную форму. Однако, учитывая высокое поверхностное натяжение жидких тугоплавких металлов, можно предположить, что капля представляет собой тело вращения. Если это так, то объем капли можно рассчитать интегрированием ее профиля.

Сначала находят максимальный диаметр капли, затем ординату каждой половины делят на несколько частей, обычно на пять—семь, и для каждой определяют значение абсциссы до ее пересечения с контуром капли. Для описания кривой контура капли используют уравнение

Для расчета постоянных а и b рекомендуется использовать систему уравнений:

где n — число частей, на которое делят контур половины капли.

Погрешность в определении объема падаюoей капли составляет около 1 %. Для надежности целесообразно измерить объем одной и той же капли на нескольких последовательных кадрах.

Массу капли легко и очень точно определяют взвешиванием в твердом состоянии на аналитических весах.

Известные данные по плотности жидких тугоплавких металлов приведены в табл. 6.1. Температурная зависимость плотности жидких тугоплавких металлов определена лишь для титана и циркония, т. е. для металлов, плавление которых можно проводить в графитовых тиглях. Плотность измеряли с помощью методов отсечения объема и максимального давления в газовом пузырьке. Зависимость плотности жидкого титана от температуры плавления до 1800 °С описывается уравнением

Аналогичное уравнение для определения плотности жидкого циркония приведено ниже:

Уравнение (6.27) предложено для интервала температур от 1850 до 1950 °С.

Важной характеристикой жидких металлов является изменение плотности при плавлении Ap = рт—рж или относительное изменение объема при затвердевании (%) Av = [(vж— vт)/vт]*100 (v — удельный объем, см3/г).

Если известно изменение плотности твердой и жидкой фаз в зависимости от температуры, то изменение плотности или объема металла при плавлении определяется экстраполяцией той и другой зависимости на температуру плавления. При этом полученные данные по изменению плотности могут оказаться завышенными, так как линейная экстраполяция не учитывает влияния процессов, которые могут происходить вблизи температуры плавления в твердой и жидкой фазах. К сожалению, об этих процессах пока еще известно очень мало: имеющиеся данные не позволяют сделать определенные выводы о величине отклонения температурной зависимости вблизи температуры плавления от прямолинейной.

Экспериментальные методы определения изменения плотности при плавлении основаны на дилатометрических измерениях, на измерении объема концентрированной усадочной раковины, образующейся при направленной кристаллизации жидкого металла, заключенного в сосуд с известным объемом.

Метод усадочной раковины предусматривает заполнение кокиля, чаще всего шаровой формы. Если жидкий металл заливается в холодный кокиль, то возникает заметная ошибка в измерении связанная с кристаллизацией части металла, происходящей во время заполнения кокиля. Величина ошибки зависит от соотношения скорости кристаллизации металла и скорости заполнения кокиля. Она отсутствует, если кокиль заполняется мгновенно или при температуре плавления, когда отсутствует кристаллизация. С этих позиций целесообразно применять захлопывающийся кокиль или пикнометрические методы исследования, например метод отсечения объема с последующим охлаждением.

Второй причиной ошибки при использовании метода усадочной раковины может служить образование усадочной пористости в результате чего концентрированная усадочная раковина оказывается меньших размеров. Для чистых металлов, эвтектических сплавов и сплавов, соответствующих интерметаллическим соединениям, опасность образования усадочной пористости минимальная; в сплавах, кристаллизующихся в интервале температур, наблюдается заметное развитие усадочной пористости, причем тем большее, чем шире интервал кристаллизации.

Несмотря на теоретическую и практическую важность рассматриваемой величины, сведения о ней для тугоплавких металлов весьма ограничены. Известно лишь, что для титана Av = 1,7 %; для циркония 3,1 %; для молибдена 2,4 % и для ниобия — около 3 %. Данные получены для титана и циркония методом отсечения объема; для ниобия и молибдена — методом измерения усадочной раковины при заливке в холодный кокиль.

Влияние углерода на плотность. При изучении плотности расплавов металлов, особенно таких, как ванадий, ниобий, молибден, тантал и вольфрам, желательно применение бесконтактных методов определения плотности, что связано с уменьшением возможности загрязнения жидких металлов различными примесными элементами. Так, например, определение плотности молибдена, ниобия, ванадия, тантала и вольфрама выполнено с использованием метода «падающей капли». Расчет объема падающей капли оценивали при обработке нескольких кадров кинограммы падающей капли. Результаты исследований представлены в табл. 6.2.

Как уже отмечалось, некоторое различие в экспериментальных и расчетных значениях плотности жидких металлов может быть связано с некоторым перегревом относительно их температуры плавления. Наибольшее отклонение экспериментальных значений от расчетной величины плотности наблюдали для вольфрама, что, по-видимому, может быть связано с наличием в области высоких температур структурных несовершенств строения жидкого металла (большое число микрополостей и других дефектов). Плотность технически чистого титана, содержащего до 0,6-0,8 мас. % углерода, при температуре плавления составляет pТi = 4,11±0,08 г/см3 (Vк = 0,2457 см3). Плотность твердого титана при температурах, близких к температуре плавления, полученная экстраполяцией температурной зависимости плотности, а также измерением объема усадочной раковины при кристаллизации, равна pTi = 4,18 г/см3 (Vк = 0,2392 см3/г). Для получения температурной зависимости плотности жидкого титана могут быть использованы как расчетные, так и экспериментальные методы. Расчетный метод определения плотности жидких металлов предусматривает использование данных о температурной зависимости кинематической вязкости титана, данных о плотности твердой и жидкой фаз при температуре плавления и формулы Бачинского. Экспериментальная плотность титана при высоких температурах может быть определена с помощью метода максимального давления в газовом пузырьке

Плотность металлических расплавов на основе титана определяли по методу свободно падающей капли. Результаты этих исследований сведены в табл. 6.3.

Анализ приведенных в табл. 6.3 результатов свидетельствует о том, что легирование титана компонентами с большей по сравнению с титаном плотностью сопровождается повышением плотности сплава на основе титана. Введение же в титан таких легирующих элементов, как, например, алюминий, плотность которого равна 2,6 г/см3, уменьшает плотность расплава на основе титана. Введение в цирконий 0,15—0,5 мас. % С не изменяет его плотность при температуре 1880 К.

Изучение влияния углерода на плотность жидких металлов пятой и шестой групп показало, что зависимость плотности тугоплавких жидких металлов от содержания в них углерода имеет аналогичный характер. Так, например, при введении в молибден углерода в количествах, не превышающих 3,86 мас. %, отмечается тенденция к уменьшению плотности расплава. Для жидких ниобия и ванадия отмечается такая же закономерность изменения плотности при введении в эти металлы до 2,99 и 3,81 мас. % С соответственно.

Рассмотрение результатов, представленных в табл. 6.3, показывает, что присутствие в расплавах углерода в количествах, близких к эвтектическому составу, сопровождается уменьшением плотности исследуемых расплавов. Так, для молибдена величина снижения плотности расплава, содержащего указанные количества углерода по отношению к плотности расплава чистого металла, составила 6—7,5, для ниобия 2,5—4,5 и для ванадия 12—15 %. Вместе с тем следует заметить, что плотность приведенных выше металлических расплавов несущественно меняется в зависимости от содержания в расплавах исследуемых металлов углерода, хотя и наблюдается некоторая тенденция к уменьшению с ростом содержания углерода. Анализируя экспериментальные данные, приведенные в табл. 3.12, можно отметить, что наибольший эффект снижения плотности отмечается для ванадия, наименьший — для ниобия. Такой характер влияния углерода на изменение плотности жидких ниобия и ванадия, по-видимому, объясняется проявлением различного сродства исследованных металлов к углероду и, как следствие, разной склонности этих металлов связывать углерод в расплаве в прочные комплексы. Следует заметить, что сплавам эвтектического состава рассматриваемых систем Me—С соответствует содержание углерода для молибдена 2,3, ниобия 2,1 и ванадия 4,82 мас. %.

В обсуждаемой работе углерод в металлы вводили следующим образом. На стержень исследуемого металла наносили тонкий слой сажи, замешенной на каучуке, с таким расчетом, чтобы весь нанесенный слой был проплавлен. Сформировавшуюся каплю жидкого металла необходимо выдержать в течение 60—80 с для наиболее полного растворения и равномерного распределения углерода в жидком металле. После этого, как правило, меняли температурный режим плавки, и капля жидкого металла отрывалась от стержня исследуемого металла. После проведения киносъемки свободно летящей капли закристаллизованный металл анализировали на содержание углерода. Обычно для этих целей применяют газообъемный метод с использованием прибора Штроллейна. Пробу сжигают при температурах 1500—1650 °С. Оценивая результаты исследования влияния углерода на плотность жидких тугоплавких металлов (V, Nb, Mo), целесообразно сравнить полученные данные с результатами измерения плотности в системах железо — углерод, кобальт — углерод и никель — углерод, тем более что диаграммы состояния систем V-C, Nb-C и Mo-C в некоторой степени сходны с диаграммой состояния Fe-C.

Подробный анализ исследований в данной области представлен в работе. Автором этой работы получены концентрационные и температурные зависимости плотности расплавов Fe-C, Co-С, Ni-C в широком интервале содержаний углерода.

В работе выдвигается предположение о возможности двух типов изменения структуры жидкого металла: один тип — вблизи температур кристаллизации (ассоциация группы атомов или изменение ближнего порядка в расположении атомов в соответствии с ближним порядком в кристалле); другой тип, не связанный с кристаллизационными явлениями, характеризуется изменением координационною числа в соответствующей координационной сфере вдали от точек кристаллизации и, по-видимому, относится к полиморфным превращениям. Анализ экспериментального материала для систем Me—С позволил авторам работы сделать вывод о взаимном влиянии растворителя и растворенного вещества на структурное состояние металлического расплава. Так, для рассматриваемых систем Me—С при содержании углерода менее его предела растворимости в твердом состоянии весь углерод после расплавления металла находится в связанном состоянии и изменение плотности жидкого металла с температурой строго соответствует линиям ликвидуса и солидуса. Выше предела растворимости углерода в металлах для всех расплавов получено некоторое несоответствие результатов экспериментов с диаграммами состояний (при их сопоставлении), которое «сглаживается» лишь при значительной выдержке расплавов во времени, т. е. когда свободный углерод полностью растворяется в расплаве. Для систем Co-C и Ni-C процессы растворения до достижения равновесного состояния протекают быстро.

Сравнивая полученные данные изменения плотности расплавов Nb-C, V-C и Mo-C с результатами отмеченных выше работ и учитывая, что предел растворимости углерода в твердых Nb, V и Mo чрезвычайно мал, можно сделать вывод о том, что полученные изменения плотности расплавов исследованных систем, а следовательно, и структурные изменения, имеющие место в изученных жидких металлах, связаны со свободным углеродом.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: