12.3.3.Поверхностная энергия

На поверхности раздела конденсированных (жидких) фаз имеется избыточная энергия из-за того, что по одну сторону поверхности раздела фаз часть связей атомов оказывается свободной. Эта избыточная энергия в общем случае называется межфазной, а для поверхности раздела жидкость – собственный пар её называют поверхностной. Межфазная энергия оценивается работой, необходимой для создания единицы соответствующей поверхности раздела.

Поверхностная энергия именуется также поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение определяется силой, действующей на единицу площади поверхности. В таблице 3.1. приведены значения поверхностной энергии некоторых металлов при температуре на 10…20 ºС выше точки плавления.

Таблица 3.1. Поверхностное натяжение некоторых металлов

Металл	Hg	Ca	Sn	Pb	Zn	Mg	Al	Cu	Ni	Fe	Ti	Mo	W
Пов. нат. σ,мДж/м²	450	700	550	450	750	550	850	1250	1800	1800	1650	2250	2500

Следует отметить:

1.Чем больше температура сплава превышает температуру ликвидуса, тем меньше поверхностное натяжение.

2. Чем больше расплав загрязнён нерастворимыми включениями, тем больше силы поверхностного натяжения.

Введение некоторых элементов в расплав может значительно изменить поверхностное натяжение. Некоторые добавки даже в незначительном количестве вызывает резкое снижение поверхностной энергии. Такие добавки называют поверхностно-активными (ПАВ). Поверхностно-активными веществами (ПАВ) по отношению к данному металлу обычно являются такие элементы, которые резко отличаются от него по своим свойствам. Например, добавки свинца для меди, натрия или висмута для алюминия и др. При малых содержаниях они не распределяются равномерно по объёму расплава, а сосредотачиваются в поверхностном слое. Когда расплав загрязняется растворёнными примесями, в первую очередь кислородом, поверхностное натяжение может существенно снижаться.

Кроме поверхностной энергии, различают ещё межфазную энергию на границе двух жидкостей ( жидкий металл – жидкий шлак), на границе жидкость – твёрдое тело ( жидкий металл – огнеупорный материал, жидкий металл – растущий кристалл).

Поверхностные силы в процессе плавки металлов имеют существенное значение. Поверхностные силы определяют явление смачивания. Условия смачивания зависят от соотношения межфазных энергий на трёх поверхностях раздела фаз σ12, σ23, σ13. Это соотношение выражается косинусом краевого угла смачивания COS θ = (σ13 - σ12) /σ23. Если угол θ больше 90º, фаза 2 плохо смачивает фазу 1. И наоборот, если угол θ больше 90º, фаза 2 хорошо смачивает фазу 1. Условия смачивания фазы 1 фазой 2 оценивается также величиной работы адгезии фазы 2 к фазе 1. Чем больше работа адгезии фазы 2 к фазе 1, тем полнее происходит смачивание.

Cos θ =

Рисунок

Если θ < 90º - хорошее смачивание фазы 1 фазой 2, если θ > 90º - плохое смачивание.

Поверхностная энергия очень важна для плавки и литья. Во всех случаях стремятся, чтобы расплав не смачивал футеровку печи и литейную форму.

Чем больше смачивание, тем больше вероятность пропитывания расплавом футеровки.

Поверхностное натяжение влияет на заполнение тонких сечений отливки. Если на поверхности сплава имеется окисная плёнка, то заполняемость тонких рельефов формы ухудшается, т.к. заметно повышается поверхностное натяжение.

Большое значение имеют поверхностные явления (межфазное натяжение) в процессе модифицирования сплавов.

Чем больше смачивание, тем больше вероятность пригара.

Для уменьшения смачивания подбирают специальный материал для футеровки печей и облицовочные смеси и краски для форм, что уменьшает настыли в печах и снижает пригар на отливках.

Окисные плёнки значительно повышают поверхностное натяжение.

С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается.

Поверхностное натяжение влияет на заполнение тонких сечений отливки. Если на поверхности сплава имеется окисная плёнка, то заполняемость тонких рельефов формы ухудшается, т. к. заметно повышается поверхностное натяжение.

Большое значение имеют поверхностные явления (межфазное натяжение) в процессе модифицирования сплавов.