5. Определение смачиваемости жидким сплавом литейной формы методом «лежащей капли» и регулирование смачиваемости с целью предупреждения пригара на отливках (рисунки, формулы)

Смачиваемость.

Смачиваемость характеризуется краевым углом смачивания, который определяется значением угла между поверхностью твердого тела и касательной к точке контакта с жидкостью и отсчитывается всегда в сторону жидкой фазы. Краевой угол равен углу между направлениями векторов поверхностных натяжений.

Величина поверхностного натяжения расплава и угол смачивания определяют работу адгезии w_a. Жид­кости к твердой поверхности: W_A = _1,2 (1 + cos ), характеризующую сцепление жидкости с твердой фазой, например металлического расплава со стенкой литейной формы, в значительной степени определяет чистоту поверхности отливки.

Если небольшое количество жидкости примет на твердой поверхности форму капли, то в точке пересечения контура ее поверхности и поверхности твердого тела будут действовать три силы: поверхностное натяжение жидкости на границе _жг, поверхностное натяжение на границе жидкости и твердого тела _жт и поверхностное натяжение на границе газа и твердого тела _гт. Первая из этих сил действует по касательной к контуру поверхности капли. Угол между _жг и твердой поверхностью  характерен для данной жидкости. Вторая и третья силы действуют в плоскости поверхности твердого тела и имеют противоположное направление.

Смачиваемость и несмачиваемость формы зависит от химического сродства металла и формы.

Метод измерения формы капли (статический) основан том факте, что конечная форма капли расплава является результатом действия сил гравитации и поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение стремится придать капле шарообразную форму, в то время как гравитационные силы каплю сплющивают. Установившаяся форма капли соответ­ствует равновесию между этими двумя силами.

Метод лежащей капли – наиболее распространенный метол определения смачиваемости (рис.1). Уравнение рав­новесия поверхности капли (равенство давления) имеет вид: р =  (1/R₁ + 1/R₂) = (₁ –₂)gx +2 / R₀, где R₁ и R₂ – главные радиусы кривизны поверхности капли; R₀ – радиус кривизны в вершине капли; ₂ – плотность среды; ₁ – плотность капли; х - координата точки по вертикали g = 9,81 см/с².

а – смачивание; б – несмачивание;

в – параметры для расчета формы капли

Рис.1. Смачивание твердого тела жидкостью в среде газа

Расчет состоит в графическом (приближенном) обсчете параметров капли. Необходимо определять зависимость х от размеров капли и другие параметры, а это сложно. Поэтому строят ряд кривых для капель разной величины и определяют зависимость К = d/ при d = (p₁ – p₂)g. За начало при­нимают произвольное значение К, и находят соотношение h и L; Затем соотношения h и L определяют для новых значе­ний К и т.д. Получив закономерность h и U-в зависимости от К, можно решить обратную задачу – найти значения поверхностного натяжения.

Главный источник ошибок в расчетах – несимметрич­ность капли, т.к. чем меньше капля, тем она симметричнее, но тем меньше и точность замера.

Башфорт и Адаме предложили формулу расчета смачи­ваемости по величине угла sin :  (l/R₁ + Sin /х) – 2 /в + g(p_ж – p_г)Z, где в – радиус в вершине капли; х - горизонтальная коорди­ната поверхности; Z – вертикальная координата поверхности;  - угол между осью вращения в точке контакта капли с твердой фазой и радиусом кривизны (рис.1, в).

Практически эксперимент выполняется на установке – физическая оптическая скамья с усовершенствованиями no замеру t°, созданию атмосферы и т.д., и называется методом лежащей капли.

При установившейся форме капли эти три силы будут находиться в равновесии: _гт = _жт + _жг cos .

Если угол  больше 90, то жидкость смачивает твердую поверхность хорошо (метод лежащей капли).

Для предупреждения пригара необходимо, чтобы металл не смачивал материал формы, для этого используют ПАВ, активность влияния которых зависит от атомного объема и ее химического состава. Несмачиваемость формы играет положительную роль, б частности препятствует проникновению расплава в поры поверхности формы и образованию механического пригара на отливках.

Давление против проникновения расплава между зернами песка описывается уравнением: Р_z­ = (2_п cos ) / r, где Р_z­ – давление против проникновения металла в форму, Па; _п – поверхностное натяжение жидкого металла, Н/м;  – краевой угол смачивания между капилляром и жидким металлом; r – радиус капилляра, м. так, например, давление, препятствующее проникновению металла в капилляр радиусом u = 0,2*10^-3 м (что примерно соответствует слабо уплотненной форме с наполнителем шаровидной формы диаметром 1*10^-3 м), при 180° и _п = 1,5 Н/м равно 15*10^-3 Па, что соответствует статическому напору 1,5 м Н₂О или 0,214 м сплава плотностью 7*10³ кг/м³

Отрицательное значение Р_z указывает, что мениск расплава (который является вогнутым) соответствует давлению, направленную от границы «металл-газ» в форму. Очевидно, что величина Р_z, полученная из приведенного уравнения, отражает внутреннее давление, препятствующее проникновению металла в капилляр, а его превышение приводит к проникновению металла в капилляр.

У металлов и сплавов с низкой плотностью (которую имеют легкие металлы и сплавы) опасность проникновения металла в пространства между зернами небольшая, поскольку при низкой плотности этих материалов () критическое давление h_н очень высокое.

Таким образом, проникновение металла снижается при уменьшении зерен песка. Установлена взаимосвязь между проникновением металла и газопроницаемостью, величиной зерна и температурой спекания.