Строение и физические свойства металлов и сплавов в жидком и твердом состояниях, страница 18

Для технологических процессов плавки и лития металлов более важное значение имеет межфазное натяжение на границах раздела фаз: расплав – футеровка, расплав – форма, расплавы шлака и металла. Величина межфазного натяжения зависит от поверхностного натяжения. Мерой межфазного натяжения является краевой угол смачивания капли жидкого сплава с твердой или жидкой подложкой. Малая величина угла смачивания (< q < 90° – рис. 25, а) свидетельствует о малой величина межфазного натяжения, а большой угол смачивания ((< q > 90° – рис. 25, б) – соответственно о большой величине межфазного натяжения. При малом межфазном натяжении происходит хорошее растекание жидкости, так небольшое количество шлака ровным тонким слоем покрывает поверхность расплава металла. При малом межфазном натяжении более интенсивно протекают физико-химические процессы межфазного взаимодействия.

Наиболее достоверными методами определения поверхностного и межфазного натяжения являются экспериментальные. Из экспериментальных способов для металлических расплавов наибольшее распространение получили метод отрыва кольца, метод лежащей капли, метод капиллярного поднятия и метод максимального давления пузырька газа.

Метод отрыва кольца прост в методическом исполнении и нагляден, схематично изображен на рис. 26. Тонкостенное кольцо 2 из огнеупорного материала или более тугоплавкого металла отрывают от поверхности расплава 1. В момент отрыва кольца чувствительный динамометр 3 фиксирует силу Р, которая на некоторую величину DР превышает силу тяжести после отрыва кольца. Величина поверхностного натяжения рассчитывается:

, где П – периметр кольца. Недостатком способа является то обстоятельство, что оксидная пленка на поверхности расплава вносит искажение в данные эксперимента.

Метод максимального давления пузырька нейтрального или инертного газа лишен данного недостатка. Сущность метода состоит в измерении максимального давления аргона или другого газа, подаваемого через трубку малого диаметра. Расход газа поддерживается минимальным, чтобы пробулькивание пузырьков через расплав происходило с интервалом в несколько секунд. По мере подачи газа в расплаве на конце трубки образуется и растет в размерах газовый пузырек. Когда размер газового пузырька достигнет диаметра трубки происходит его отрыв и образование следующего пузырька. В момент, предшествующий отрыву, давление максимально и его величина используется для несложного расчета поверхностного натяжения, исходя из следующих предпосылок.

Равенство размеров газового пузырька и диаметра трубки отвечает условию равновесия. Для увеличения объема газового пузырька на бесконечно малую величину dV, достаточную для его отрыва нужно затратить работу . Эта работа численно равна увеличению поверхностной энергии:

, где S – площадь поверхности газового пузырька. Тогда уравнение энергетического баланса для пузырька можно представить:

.

Примем газовый пузырек правильной сфероидальной формы. Для шара  и , а поверхность  и , где r – радиус газового пузырька, равный внутреннему радиусу трубки; р – максимальное давление газа в момент отрыва пузырька. Величина s после подстановки значений dS и dV определяется: . В экспериментальной методике из общих показаний манометра – р_ман следует вычесть давление, обусловленное металлостатическим напором металла hg, где h – глубина погружения трубки; g – плотность расплава. Или это давление по манометру сразу после отрыва пузырька: .

Метод максимального давления газа в пузырьке является универсальным экспериментальным методом определения поверхностного натяжения для разных металлов и сплавов, но требует чувствительного манометра для измерения давления.