Pereosnastka.ru

Металлы отличаются от других твердых тел наличием свободных электронов. Эти электроны не связаны с каким-то определенным атомом и движутся по всему металлу. Свободные электроны определяют такие свойства металлов, как пластичность, электропроводимость и др. Специфика твердого металлического состояния, в основном, сохраняется и после расплавления. Особый характер так называемой металлической связи приводит к возможности образования различных смешанных кристаллов (сплавов).

Процесс плавления металлов и сплавов является достаточно сложным из-за «накладывающихся» друг на друга различных физико-химических явлений, однако, его сущность легче представить, чем процесс кристаллизации. Это объясняется тем, что плавление не требует образования зародышей, и процесс перехода из твердого состояния в жидкое начинается сразу же, как только металл или сплав будет нагрет до температуры начала плавления.

Некоторый перегрев выше температуры плавления необходим для того, чтобы расплавление кристалла началось внутри него. Плавление — относительно простой процесс еще и потому, что жидкий сплав имеет строение, малозависящее от условий его образования.

В твердой плавящейся фазе практически не происходит перераспределения химических веществ.

Известно, что кристаллическим телам свойственна строгая периодичность в расположении частиц. В то же время силы, удерживающие атомы в узлах кристаллической решетки, очень малы. Достаточно тепловой энергии самих атомов, чтобы они отклонялись от равновесного положения на заметные расстояния. Установлено, что при обычной температуре величина теплового колебания может составлять 5-10% межатомного расстояния.

Наиболее существенными способами поглощения тепловой энергии твердыми металлическими телами являются способы увеличения:
1) интенсивности колебания атомов,
2) энергии поступательного движения электронов (возбуждение их),
3) энергии вращательного движения молекул.

При нагревании металлов и сплавов от обычной температуры ДО температуры плавления происходит непрерывное поглощение энергии, которая расходуется на увеличение интенсивности указанных колебании и движений. До какого-то момента времени каждый атом находится на своем обычном месте и окружен соответствующим числом ближайших атомов, расположенных на расстояниях, примерно соответствующих совершенной структуре. Но наступает момент, когда эти расстояния нарушаются или у атома изменяется число соседних атомов. Этот период предплавления характеризуется значительным ростом дефектов структуры различного вида.

Из приведенного следует, что количество вакансий зависит главным образом от температуры. Например, у алюминия одна вакансия приходится на 1012 атомов при комнатной температуре, а при температуре плавления — только на 103 атомов. Для алюминия Еа = 0,75 эв. Следует отметить, что наличие одной вакансии на 1000 атомов типично для твердых металлов вблизи температуры плавления.

Особенность предплавления — значительная интенсификация диффузионных процессов — связана с тем, что атомы получают возможность перемещаться на большие расстояния вследствие увеличения количества вакансий и их передвижения.

При плавлении нарушаются термодинамическая устойчивость кристаллических решеток и характерный для твердого состояния порядок расположения атомов (молекул или ионов). В результате твердые кристаллические тела теряют постоянство формы, происходит скачкообразное изменение (увеличение) внутренней энергии, объема, энтропии и некоторых других физических свойств металлов и сплавов. Сплавы, в отличие от однокомпонентных веществ, плавятся в некотором интервале температур, зависящем от их состава и давления.

Тепло, образующееся в плавильных агрегатах в результате горения топлива или иного процесса, передается твердой металлической шихте и, в первую очередь, расходуется на тепловое расширение, являющееся следствием увеличения колебательного движения атомов относительно их обычного равновесного положения.

С повышением температуры колебательные движения увеличиваются и твердое тело, проходя через область неустойчивых состояний, превращается в жидкое. Чтобы этот процесс мог завершиться полностью, в рабочее пространство печи должно поступать количество теплоты, необходимое для обеспечения отрыва атомов от их обычного равновесного положения и для компенсации различных потерь теплоты сопутствующих плавлению процессов.

Следовательно, плавление можно рассматривать как переход из состояния, при котором атомы в кристаллической решетке рас-положены правильно, в состояние, при котором решетка уничтожается. Отметим, что переход в жидкое состояние не всегда приводит к полному уничтожению кристаллической структуры. Еще в 1921 г. А. А. Лебедев показал, что и в жидкостях можно встретить некоторую упорядоченность расположения молекул, выражающуюся в том, что в отдельных ультрамикроскопических участках объема молекулы образуют ничтожно малые по размерам кристаллиты. Такие образования в жидкостях обнаруживаются при температурах, близких к температуре плавления. Полное уничтожение остатков кристаллического строения может быть достигнуто только при дальнейшем повышении температуры и длительной выдержке расплава.

Особенностью многих процессов плавки в литейном производстве является необходимость достижения температур превращения твердой шихты в состояние, при котором в максимально возможной степени были бы уничтожены остатки структуры твердого состояния. Это обеспечивает получение, например, требуемых механических свойств у многих сплавов, в частности у чугуна.

При плавлении объем металлов увеличивается на 3-4%, что необходимо учитывать при изучении кристаллизации отливок в литейных формах.

Следует подчеркнуть, что для качества будущей отливки небезразлично с какой интенсивностью и в какой среде производится плавление, а также какая степень перегрева выше температуры плавления была при этом достигнута. Перечисленные факторы могут в последующем оказать решающее влияние на процесс кристаллизации отливки и конечные ее свойства. Например, большое влияние на кристаллизацию оказывают имеющиеся в расплаве частицы (подложки), образующие поверхность раздела. Они могут служить источником гетерогенного зарождения кристаллов. На этой поверхности, если она смачивается жидким металлом, могут образоваться зародыши и их образование потребует меньшей затраты энергии. Большое значение имеет и краевой угол смачивания между подложкой и находящимся на ней зародышем твердой фазы.

Если краевой угол смачивания 0 мал, то поверхностная энергия границы раздела между твердой фазой и подложкой также мала. В этом случае из атомов жидкого металла легко образуются зародыши твердой фазы на поверхности подложки. Когда 0 = 180°, подложка существенно не влияет на процессы зарождения потому, что межфазная энергия на границе твердой фазы и подложки оказывается достаточно большой.

Если краевой угол смачивания мал, то зарождение происходит Ри незначительном переохлаждении, если же краевой угол велик, 0 необходимо большое переохлаждение.

Практически все литейные сплавы в жидком состоянии содержат определенное количество мельчайших нерастворимых примесей, которые могут оказать влияние на условия кристаллизации. Именно поэтому сплавы (в жидком и твердом состояниях) следует отнести к коллоидным системам.

Особенностью коллоидных систем такого рода является их по-лидисперсность. Характер образующейся системы и ее способность к тем или иным взаимодействиям непосредственно связаны с условиями плавления и перегрева металла или сплава. Многие литейные сплавы, особенно цветные, содержат легкоиспаряющиеся компоненты. В литейном производстве поэтому широко используют плавку в вакууме. При любой температуре выше абсолютного нуля все вещества, в основном жидкие, испаряются. Молекулярно-кинетическая теория дает объяснение этому явлению. На поверхности жидкости или твердого тела энергия отдельных молекул значительно превышает среднюю для данной температуры. Эта энергия может быть достаточной для отрыва молекул и рассеивания их в окружающем пространстве. Скорость испарения вещества определяется давлением его пара, зависящим от температуры, и внешним давлением других газов (например, воздуха) над испаряющимся веществом. Давление пара испаряющегося вещества зависит от его природы, температуры и кривизны поверхности и почти не зависит от давления других газов над испаряющимся веществом. Однако скорость диффузии пара, влияющая на общую скорость испарения, уменьшается с увеличением давления постороннего газа в системе. Это обстоятельство учитывают и используют в реальных плавильных процессах для уменьшения потерь легкоиспаряющихся компонентов сплава.

Скорость испарения можно значительно снизить, если свободную поверхность испаряющейся жидкости покрыть поверхностно-активным слоем достаточно большой толщины. Слой шлака на жидком металле затрудняет испарение и является желательным при обычной плавке.

Ппи таком равновесии число молекул, проникающих за единицу племени через единицу поверхности раздела из жидкости в пар, панно числу молекул, переходящих из пара в жидкость. Упругость насыщения пара каждого вещества зависит только от температуры и повышается с ее увеличением. Удалению паров с поверхности испарения способствует постоянная «вентиляция» этой поверхности вызываемая различными причинами (движением пламени, продуктов горения, подсевом воздуха и т. п.). Чем больше турбулентность движения газового потока над испаряющимся телом, тем больше удаляется пара и скорее протекает процесс испарения. Если давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению или несколько его превышает, испарение идет не только с поверхности жидкости, но и внутри нее. При этом образуются пузыри пара, быстро растущие и поднимающиеся на поверхность. Испарение переходит в кипение.

Изучение физико-химических закономерностей испарения имеет большое практическое значение для плавки в условиях вакуума.

Читать далее:

Процесс легирования

• Специальные способы литья
• Литье в металлические формы (кокильное литье)
• Литейные сплавы, их плавка и получение отливок
• Изготовление разовых форм (формовка)
• Модельный комплект, формовочные и стержневые смеси