Поверхностное натяжение металлических расплавов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Поверхностное натяжение металлических расплавов

24.06.2021

Поверхностное натяжение жидкости ож.г равно по величине ее удельной поверхностной энергии, или энергии, которая необходима для обратимого изотермического образования единицы новой поверхности жидкости на границе с ее собственным насыщенным паром. Поверхностное натяжение можно рассматривать также как силу, действующую на единицу длины любой линии на поверхности жидкости в направлении, перпендикулярном к этой линии.

Во многих процессах при производстве высокотемпературных материалов поверхностные явления на границах между твердым телом и жидкостью, между жидкостью и газом играют определяющую роль. К их числу в первую очередь следует отнести процессы, происходящие при нанесении защитных покрытий на изделия, при получении материалов пропиткой, а также с помощью некоторых методов порошковой металлургии, при плавке и литье тугоплавких металлов.

Для измерения поверхностного натяжения жидких тугоплавких металлов принципиально пригодны следующие методы.

1. Метод капиллярного поднятия, основанный на том, что в капилляре из огнеупорного материала жидкий металл, если он смачивает поверхность капилляра, поднимается на высоту, определяемую силами поверхностного натяжения жидкости.

2. Метод максимального давления в газовом пузырьке — основой расчета поверхностного натяжения служит величина давления газа, с помощью которого на конце опущенного в жидкость капилляра образуется пузырек.

3. Метод отрыва, основанный на измерении силы, возникающей при отрыве кольца или пластинки от поверхности смачивающей их жидкости.

4. Метод лежащей капли позволяет рассчитать поверхностное натяжение по форме капли жидкости, лежащей на плоской поверхности твердого тела, при условии, что жидкость не полностью смачивает его.

5. Метод висящей капли — поверхностное натяжение определяется по контуру капли максимальной массы, висящей на конце трубки небольшого диаметра или прутка из того же металла, который подвергается исследованию.

6. Метод взвешивания капли основан на том, что капля жидкости, образующаяся на конце прутка из того же металла, который подвергается исследованию, отрывается от него в тот момент, когда масса капли превышает силу поверхностного натяжения, удерживающего ее.

7. Метод колеблющейся струи — один из динамических методов определения поверхностного натяжения, позволяет рассчитать величину поверхностного натяжения по форме струи, вытекающей из эллиптического отверстия.

Из перечисленных методов измерения поверхностного натяжения последние три можно рассматривать как бесконтактные потому, что с их помощью можно провести измерение в условиях, когда жидкий металл не соприкасается с огнеупорным материалом. Применительно к тугоплавким металлам наиболее часто используются методы висящей капли и взвешивания капли. Измерения поверхностного натяжения с помощью этих методов проводят обычно одновременно в одном эксперименте. Расчет поверхностного натяжения с помощью метода висящей капли ведется в предположении, что капля на конце прутка образуется достаточно медленно и ее профиль можно описать, пользуясь статической теорией. Тем не менее строгое решение задачи о профиле висящей капли, на которую действуют металлостатическое давление и поверхностные силы, отсутствует, так как интегрирование уравнения, отражающего изменение равновесной капли с изменением диаметра прутка и размеров капли, оказывается очень сложным. Для расчета используются приближенные уравнения типа

где р — плотность жидкого металла, г/см3; dm — максимальный или экваториальный диаметр капли, мм; f(ds/dm) — табличная функция; ds — диаметр капли на расстоянии dm от ее нижнего конца, мм.

Анализ этого метода, проведенный В.Н. Еременко с сотрудниками, показал, что минимальная относительная ошибка метода достигается при значении ds/dm, близком к единице. Если ds/dm = 0,95, то оптимальный диаметр образца можно определить по формуле

где о' — приближенное значение поверхностного натяжения.

Для фиксирования формы капли широко применяется фотографирование. Часто для этой цели используют киносъемку, которая позволяет контролировать ход каждого опыта и дает возможность выбрать для расчета каплю, наиболее близкую к равновесной. Иногда размеры определяют по затвердевшей капле, но такой способ значительно менее точен.

Уменьшению случайных ошибок при измерении поверхностного натяжения по методу висящей капли способствует предупреждение вибрации капли и выделения газов из жидкого металла. Большое значение имеет также равномерность температурного поля, окружающего каплю. Измерение размеров капли рекомендуется проводить, по крайней мере, за 0,05 с до ее отрыва от образца, так как расчет по форме капли в момент, близкий к отрыву, приводит к завышенным результатам поверхностного натяжения.

Средняя ошибка измерений поверхностного натяжения в лучших работах, в которых использовали метод висящей капли, составляет 0,5-4,0 %.

Метод взвешивания капли также не имеет строгих расчетных формул, так как масса отрывающейся части капли является сложной функцией радиуса образца, массы капли, постоянной капиллярности. Поэтому в расчетных формулах присутствует табличная функция или в них вводят полуэмпирические поправки. В первом случае расчетное уравнение, связывающее массу оторвавшейся части капли С с поверхностным натяжением, имеет вид

где r — радиус образца, на котором образуется капля, мм; Ф(r/а) — табличная функция; а — капиллярная постоянная.

Наиболее достоверные данные по этому методу можно получить при значениях r/а от 0,9 до 1,2 или при dобр = (1,8+2,4) Vo/pg. В прецизионных исследованиях средняя относительная ошибка измерений составляет 1—5 %.

Бесконтактные методы определения поверхностного натяжения (методы висящей капли и взвешивания капли) не позволяют получить данных о температурной зависимости поверхностного натяжения. Лишь для некоторых металлов, относящихся к группе тугоплавких, можно использовать методы капиллярного подъема, максимального давления в газовом пузырьке и лежащей капли, с помощью которых удается измерить поверхностное натяжение металлов при температурах, превышающих их температуру плавления. Для таких металлов, как титан или цирконий, аппаратуру, необходимую для измерения поверхностного натяжения, можно изготавливать из графита, несмотря на возникающее при измерении загрязнение металла углеродом.

Предварительно характер влияния примеси или легирующей добавки на поверхностное натяжение металла можно оценить с помощью критериев поверхностной активности. Известен ряд таких критериев, предложенных различными авторами: разность обобщенных моментов Am (В.К. Семенченко); разность статистических обобщенных моментов Amc (С.Н. Задумкин); разность поверхностного натяжения Ao (А.А. Жуховицкий); разность температур плавления Atпл (П.А. Ребиндер), разность атомных объемов AVА и разность значений стандартной энтропии растворителя и примеси AS (А.М. Корольков). В.И. Ниженко и В.Н. Еременко предложили использовать в качестве критерия поверхностной активности примеси разность удельных теплот сублимации Ap и разность полных потенциальных барьеров Aw растворителя и примеси. Примесь будет поверхностно-активной по отношению к растворителю, если критерии окажутся положительными.

Результаты анализа большого количества металлических систем, по которым имеются экспериментальные данные, позволили В.И. Ниженко и В.Н. Еременко определить относительную надежность критериев поверхностной активности элементов, в соответствии с чем их расположим в такой последовательности: Ао-Aw-Ao-Atпл-Amc-AVA-AS.

Оценку поверхностной активности элементов в металлическом расплаве рекомендуют проводить по совокупности первых трех критериев.

Предсказание поверхностной активности полезно не только для сплавов, но и для чистых металлов для оценки влияния на поверхностное натяжение элементов, загрязняющих металл.

Значения поверхностного натяжения жидких тугоплавких металлов при температуре их плавления приведены в табл. 6.5. В таблице приведены также данные, рассчитанные по статистической электронной теории С.Н. Задумкина. Большая часть экспериментальных данных получена с помощью бесконтактных методов висящей капли или взвешивания капель. Поэтому температурная зависимость поверхностного натяжения известна лишь для трех металлов этой группы (титана, циркония и ванадия), измерение поверхностного натяжения которых удалось осуществить несколькими методами, включая метод максимального давления в газовом пузырьке.

Уравнения, показывающие зависимость поверхностного натяжения от температуры для титана, циркония и ванадия приведены ниже:

Из уравнения (6.57) следует, что поверхностное натяжение этих металлов падает с ростом температуры очень резко: величина температурного коэффициента для них в два—три раза больше, чем для таких металлов, как железо (do/dt = 0,4+0,6), кобальт (0,4), и примерно в 5—10 раз больше, чем для большинства легкоплавких металлов.

Сведения о высоком температурном коэффициенте поверхностного натяжения говорят о значительном уменьшении сил межчастичного взаимодействия в жидких тугоплавких металлах с повышением температуры.

Однако надо отметить, что эти данные требуют уточнения, так как высокая температура проведения опытов и загрязнение металла углеродом осложняют экспериментирование.

Несмотря на то, что в промышленности выплавляют в основном сплавы на основе тугоплавких металлов, данных о влиянии легирующих элементов и примесей на их поверхностное натяжение совершенно недостаточно. Судя по критериям поверхностной активности многие легирующие элементы должны снижать поверхностное натяжение тугоплавких металлов. Экспериментально установлено изменение поверхностного натяжения лишь в ряде сплавов на основе титана.

Углерод линейно повышает поверхностное натяжение титана:

где С — содержание углерода, %,

Также линейно, но более резко углерод повышает поверхностное натяжение циркония:

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: