Строение и физические свойства металлов и сплавов в жидком и твердом состояниях, страница 17

Из табл. 7 видно, что поверхностное натяжение расплавов металлов в несколько раз (до 12-13 раз) выше, чем у воды.

Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов зависит от температуры и состава. С повышением температуры поверхностное натяжение снижается, что дает подтверждение зависимости величины поверхностного натяжения от природы металлической связи. Математически не удается установить зависимость поверхностного натяжения от температуры, но определенно очевидно, что с повышением температуры происходит ослабление сил межатомного взаимодействия, что и служит причиной уменьшения поверхностного натяжения.

Зависимость поверхностного натяжения от состава сплава отличается большой сложностью для двойных и тем более для многокомпонентных сплавов. Правило аддитивности для большинства сплавов дает большие расхождения с экспериментальными данными и не может быть рекомендовано к практическому использованию.

Экспериментально установлены некоторые зависимости поверхностного натяжения жидких сплавов от их состава с учетом диаграммы состояния. Для сплавов, относящихся к эвтектическим характерно монотонное (но не линейное) изменение поверхностного натяжения от состава таким образом, что сплав со 100%-ой эвтектикой обладает наибольшей величиной поверхностного натяжения. Сплавы, образующие интерметаллические (химические) соединения, обладают минимальным поверхностным натяжением. Это иллюстрируется изменением поверхностного натяжения сплавов системы Al-Zn – рис. 24. На кривой "состав – поверхностное натяжение" просматриваются два экстремума: минимум и максимум. Максимальные значения s отвечают эвтектическому составу ~ 95 % Zn + 5 % Al, а минимальные значения – составу, соответствующему интерметаллическому соединению Al₂Zn₃ [2].

Рис. 24. Зависимость поверхности натяжения сплавов Al-Zn

от состава и температуры

В целом анализ зависимости поверхностного натяжения от состава сплавов устанавливает наличие взаимного влияния атомных объемов основного и легирующего металла. Если их атомные объемы близки, в большей степени соблюдается правило аддитивности. Если атомные объемы двух металлов сильно различаются, то возрастает вероятность того, что легирующий элемент окажется поверхностно активным. Поверхностно активным считается элемент, небольшое количество которого (до долей процента) значительно снижает величину поверхностного натяжения.

Поверхностно активные элементы в сплавах служат причиной явления адсорбции, когда эти элементы распределяются не равномерно по объему сплава, а более высокая их концентрация имеет место в поверхностном слое. Величина адсорбции описывается уравнением Гиббса:

, где Г – адсорбция; ; с_n – концентрация элемента в поверхностном слое; с₀ – концентрация элемента в объеме расплава; d - толщина адсорбционного слоя; R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура, К; s – поверхностное натяжение.

С явлением адсорбции в жидких сплавах связывают технологические процессы модифицирования и поверхностного легирования. В алюминиевых сплавах поверхностно активный металл натрий измельчает зерно за счет адсорбции на растущих зернах.

В магниевых сплавах тысячные доли бериллия снижают окисление за счет повышения плотности оксидного слоя MgO + BeO. Слой оксидов MgO на поверхности расплава магния, на поверхности отливок без легирования бериллием имеет неплотное строение с порами, микротрещинами.

Рис. 25. Краевой угол смачивания – мера межатомного натяжения