Факторы, определяющие жидкотекучесть стали

Влияние поверхностного натяжения жидкой стали. Поверхность жидкости обладает потенциальной энергией, стремящейся принять минимальное значение. Вследствие этого изолированная жидкость принимает сфероидальное состояние, характеризующееся минимальной поверхностью для данного объема.

Поверхностное натяжение металлов значительно меняется от присутствия НВ или образования поверхностных пленок из-за реакций окисления. Особенно сильно оно изменяется от колебания состава стали в отношении некоторых элементов (Cr, Si, и др.).

Жидкие металлы обладают большим поверхностным натяжением и тем больше, чем выше температура плавления.

Например, вода при +20 ^оС имеет σ = 81 дин/см;

медь − +11810 σ = 1103 дин/см

серый чугун − +73000 σ = 1150 дин/см

сталь 0,3 С − +1520 σ = 1500 дин/см

Жидкие металлы, не покрытые пленкой окислов, не смачивают стенки песчаной формы. Капля жидкого металла со стенками образует тупой угол α(cos α < 0).

В = cosα = (σ_в-т − σ_ж-т) / σ_в-ж, (2.1‑13)

где σ_ж-т, σ_в-т и σ_в-ж − являются поверхностными натяжениями на поверхности раздела: воздух (В), твердого (Т) и жидкого тела (Ж).

Это уравнение, выражающее условие равновесия трех сил, приводит к тому, что:

1. Если σ_ж-т < σ_в-т, то cosα < 0, угол α тупой, жидкость не смачивает твердое тело гидрофобно. Преобладает взаимное сцепление частиц жидкости;

2. Если σ_ж-т > σ_в-т, то cosα > 0, угол α – острый, жидкость смачивает твердое тело гидрофильно, т.е преобладает сцепление жидкость − твердое тело;

В = cosα = (σ_ж-т − σ_в-т) / σ_в-ж (2.1‑14)

И в специальном случае, когда cos α = 1, α = 0, жидкость смачивает абсолютно.

При подъеме по вертикальной стенке формы жидкий металл контактирует с твердой поверхностью.

Твердые стенки песчаной формы являются гидрофобными, не смачиваемыми по отношению к жидким металлам. (Различная природа сродства между SiO₂ и металлом). Если же поверхность металла окислена и на ней имеется тонкая пленка окислов, то:

а) окислы, которые обладают металлическим характером и сильно растворимы (например, FеO), дают смачивание, т.е. металл втягивается в поры стенки;

б) окислы поливалентных металлов (и алюминиты, селиниты), мало растворимы в стали, противостоят смачиванию и металл проникает только в случае больших размеров.

Поэтому плохо раскисленная или окисленная сталь дает смачивание и пригарает к стенкам формы. Для того, чтобы несмачивающий форму металл мог продвигаться в канале, необходимо преодолеть противодавление сил поверхностного натяжения на выпуклом мениске металла (ρ = 2δ / r cosα, г/см²), т.е. необходим излишний металлостатический напор. В этом сказывается влияние поверхностного натяжения и смачивания на запоняемость формы, особенно малого сечения.

Очевидно, что получению четкого отпечатка отливки, ее очертаний будет способствовать смачивание, т.е. низкое поверхностное натяжение жидкости (чугун и цветные металлы дают лучшие очертания отливки).

Сталь, имеющая большое поверхностное натяжение σ и α, обладает худшей жидкотекучестью, чем чугун и т.д. Однако большое σ оказывает благотворное влияние на некоторые другие качества отливок (образованию кристаллов более округлой формы, а не дендритов с острыми углами, препятствует образованию газовых пузырей в жидком металле, в формировании НВ).