Наибольший интерес представляют вещества, существенно по­ нижающие поверхностное натяжение (см. рис. 17, кр. 3). Они назы­ ваются поверхностно-активными. Такие вещества обычно сущест­ венно отличаются по всем свойствам от вещества растворителя. При растворении они сосредотачиваются преимущественно на его по­ верхности, а не в объеме. Это явление называется адсорбцией.

Малые добавки поверхностно-активных веществ к расплавлен­ ному металлу (в качестве примера можно назвать натрий, введенный в расплавленный алюминий) оказывают большое влияние на меха­ низм кристаллизации, которое будет рассмотрено в разделе о моди­ фицировании сплавов.

Необходимо иметь в виду, что справочные данные о поверхно­ стном натяжении приводятся для металлов с чистой поверхностью. Металлы и сплавы, которые не растворяют кислород, в реальных ус­ ловиях обычно покрываются пленкой нерастворимых оксидов. В этих случаях можно будет говорить не о поверхностном натяже­ нии, а о прочности поверхностного слоя. Она имеет в 1,2-1,5 раза большие значения, чем поверхностное натяжение чистой поверх­ ности. Это относится к цинку, магнию, алюминию и к сплавам на их основе.

У чистых металлов прослеживается прямая связь поверхностно­ го натяжения с атомным объемом (отношением атомной массы к плотности). Чем больше атомный объем того или иного металла, тем меньше его поверхностное натяжение. Влияние легирующих элементов на поверхностное натяжение металла-растворителя и оп­ ределяется соотношением атомных объемов. Если атомный объем добавки больше атомного объема основы, то поверхностное натяже­ ние уменьшается. Поверхностно-активные вещества всегда имеют большие атомные объемы, чем растворитель.

2.3.2.1. Поверхностное натяжение и смачиваемость

Кроме контакта жидкости с газом для металлургических про­ цессов весьма важен и контакт двух конденсированных фаз (твердой и жидкой) друг с другом при наличии третьей газовой фазы. В зави­ симости от величины поверхностных сил на границе этих фаз жид­ кость может находиться в форме капли, лежащей на твердой под­ ложке, или растекаться по поверхности твердого вещества, смачи-

вать ее. Это объясняется тем, что в случае соприкосновения с твер­ дым телом, силы сцепления молекул жидкости с молекулами твердо­ го тела начинают играть существенную роль. Если они больше, чем силы сцепления между молекулами жидкости, то жидкость будет растекаться по твердому телу (смачивать его). Взаимная связь между величинами поверхностного натяжения и смачиваемости показана на рис. 18.

Рис. 18. Виды равновесия капли жидкости на поверхности твердого тела

Величину смачивания определяют три силы. Одна из них нам уже известна, это поверхностное натяжение жидкого расплава (стж г). Две другие - межфазное натяжение (ат.ж) и поверхностное натяжение на границе твердого тела с газом (сттг) (на рис. 18 их обозначение ус­ ловно приподнято над поверхностью твердого тела). Условие равно­ весия можно записать в виде уравнения

^ T .r= ^ T .* + ^ * .rC O S 0 ,

откуда получаем

о.

cos 0 = а

о

где 0 - краевой угол смачивания.

Чем меньше краевой угол смачивания (см. рис. 18, а), тем лучше жидкость смачивает поверхность твердого тела. Если жидкость пло­ хо смачивает твердое тело, то краевой угол больше 90° (рис. 18, б).

Из уравнения равновесия следует, что, определив краевой угол смачивания, по известному поверхностному натяжению жидко­

сти можно найти межфазное натяжение, так как ат.г ~ величина по­ стоянная.

Хорошая смачиваемость стенок литейной формы расплавом приводит к почти полному повторению рельефа модели, а значит, и к получению четкого рельефа на отливке. Одновременно усилива­ ется взаимодействие расплава с материалом формы, что может вы­ звать пригар (об этом речь пойдет ниже). При плохой смачиваемости мы получим чистую поверхность отливки, но со смазанным релье­ фом. Ухудшится и заполнение тонких сечений отливки. Для художе­ ственных отливок лучше использовать сплавы, которые в жидком состоянии имеют низкие значения поверхностного натяжения и хо­ рошо смачивают материал литейной формы. Необходимо учитывать и состояние поверхности расплава. Если при заливке на поверхности образуется окисная пленка, как это часто бывает на алюминиевых сплавах, то она также не позволит получить четкий рельеф.

2.3.2.2. Капиллярные явления

Явления смачивания оказывают существенное воздействие на металлургические процессы плавки литейных сплавов, заливки ли­ тейных форм и кристаллизации. Под их влиянием возникают капил­ лярные силы. Капиллярами (от лат. capillaris - волосной) называют трубки с очень узкими каналами. В капилляре жидкость всегда дер­ жится выше или ниже того уровня, на котором она должна бы нахо­ диться по закону сообщающихся сосудов. В этом и есть суть капил­ лярных явлений. Если жидкость смачивает стенки капилляра, то она в нем поднимается, а если не смачивает, то опускается на какую-то величину Л (рис. 19).

Определим высоту подъема жидкости в капилляре с радиусом R. Для простоты примем, что поверхность жидкости внутри капилляр­ ной трубки имеет строго сферическую форму, радиус которой г ра­ вен радиусу капилляра R. Как указывалось ранее, жидкость в шаро­ образной капле находится под дополнительным давлением

2а 2а

В капилляре, стенки которого смачиваются жидкостью, мы име­ ем открытую поверхность жидкости в виде вогнутого мениска. До-

полнительное давление, как в капле, направлено внутрь сферы, под­

нимает жидкость и уравновешивает гидростатическое давление pgh, что показано на рис. 19, а.

Рис. 19. Схема проявления капиллярных сил, когда жидкость смачивает (а) или не смачивает (б) стенки капилляров

Условием равновесия является 2а/R = pgh, отсюда h = 2a/Rgp, т.е. высота поднятия (или опускания) жидкости тем больше, чем меньше радиус капилляра. В общем случае, когда радиус капилляра не равен радиусу мениска, для определения высоты подъема жидко­ сти надо знать краевой угол смачивания и пользоваться формулой

В жизни мы часто имеем дело с телами, пронизанными множе­ ством мелких каналов (стройматериалы, почва, дерево, бумага, тка­ ни). Такие тела, соприкасаясь с жидкостью, часто впитывают ее. Этим объясняется действенность промокательной бумаги, полотенца, впитывание влаги взрыхленной почвой и т.д. Песчано-глинистые ли­ тейные формы, огнеупорные футеровки плавильных печей и тиглей изготовляют из зернистых материалов, между частицами которых неизбежно образуются микроканалы. Пригар на стальных отливках (дефект поверхности в виде корки из песка, пропитанного сталью) объясняется именно капиллярными силами. Стойкость футеровки во многом зависит от ее смачиваемости расплавом и шлаком.