Теорія і особливості плавлення
Метали відрізняються від інших твердих тіл наявністю вільних електронів. Ці електрони не пов'язані з якимось певним атомом і рухаються по всьому металу. Вільні електрони визначають такі властивості металів, як пластичність, електропровідність і ін. Специфіка твердого металевого стану, в основному, зберігається і після розплавлення. Особливий характер так званої металевої зв'язку призводить до можливості утворення різних змішаних кристалів (сплавів).
Процес плавлення металів і сплавів є досить складним через «накладаються» один на одного різних фізико-хімічних явищ, однак, його сутність легше уявити, ніж процес кристалізації. Це пояснюється тим, що плавлення не вимагає утворення зародків, і процес переходу з твердого стану в рідке починається відразу ж, як тільки метал або сплав буде нагрітий до температури початку плавлення.
Деякий перегрів вище температури плавлення необхідний для того, щоб розплавлення кристала почалося всередині нього. Плавлення - відносно простий процес ще й тому, що рідкий сплав має будову, малозавісящіе від умов його освіти.
У твердій плавиться фазі практично не відбувається перерозподілу хімічних речовин.
Відомо, що кристалічним тілам властива сувора періодичність в розташуванні частинок. У той же час сили, які утримують атоми у вузлах кристалічної решітки, дуже малі. Досить теплової енергії самих атомів, щоб вони відхилялися від рівноважного положення на помітні відстані. Встановлено, що при звичайній температурі величина теплового коливання може становити 5-10% межатомного відстані.
Найбільш істотними способами поглинання теплової енергії твердими металевими тілами є способи збільшення:
1) інтенсивності коливання атомів,
2) енергії поступального руху електронів (збудження їх),
3) енергії обертального руху молекул.
При нагріванні металів і сплавів від звичайної температури ДО температури плавлення відбувається безперервне поглинання енергії, яка витрачається на збільшення інтенсивності зазначених коливанні і рухів. До якогось моменту часу кожен атом знаходиться на своєму звичайному місці і оточений відповідним числом найближчих атомів, розташованих на відстанях, приблизно відповідних досконалої структурі. Але настає момент, коли ці відстані порушуються або у атома змінюється число сусідніх атомів. Цей період передплавлення характеризується значним зростанням дефектів структури різного виду.
Схема 1. Класифікація ливарних сплавів
З наведеного випливає, що кількість вакансій залежить головним чином від температури. Наприклад, у алюмінію одна вакансія припадає на 1012 атомів при кімнатній температурі, а при температурі плавлення - тільки на 103 атомів. Для алюмінію Еа = 0,75 ев. Слід зазначити, що наявність однієї вакансії на 1000 атомів типово для твердих металів поблизу температури плавлення.
Особливість передплавлення - значна інтенсифікація дифузійних процесів - пов'язана з тим, що атоми отримують можливість переміщатися на великі відстані внаслідок збільшення кількості вакансій і їх пересування.
При плавленні порушуються термодинамічна стійкість кристалічних решіток і характерний для твердого стану порядок розташування атомів (молекул або іонів). В результаті тверді кристалічні тіла втрачають сталість форми, відбувається стрибкоподібне зміна (збільшення) внутрішньої енергії, обсягу, ентропії і деяких інших фізичних властивостей металів і сплавів. Сплави, на відміну від однокомпонентних речовин, плавляться в деякому інтервалі температур, що залежить від їх складу і тиску.
Тепло, що утворюється в плавильних агрегатах в результаті горіння палива чи іншого процесу, передається твердої металевої шихті і, в першу чергу, витрачається на теплове розширення, що є наслідком збільшення коливального руху атомів щодо їх звичайного рівноважного положення.
З підвищенням температури коливальні рухи збільшуються і тверде тіло, проходячи через область нестійких станів, перетворюється в рідкий. Щоб цей процес міг завершитися повністю, в робочий простір печі повинно надходити кількість теплоти, необхідне для забезпечення відриву атомів від їх звичайного рівноважного положення і для компенсації різних втрат теплоти супутніх плавлення процесів.
Отже, плавлення можна розглядати як перехід зі стану, при якому атоми в кристалічній решітці рас-покладені правильно, в стан, при якому решітка знищується. Відзначимо, що перехід в рідкий стан не завжди призводить до повного знищення кристалічної структури. Ще в 1921 р А. А. Лебедєв показав, що і в рідинах можна зустріти деяку впорядкованість розташування молекул, що виражається в тому, що в окремих ультрамікроскопічних ділянках обсягу молекули утворюють мізерно малі за розмірами кристалітів. Такі освіти в рідинах виявляються при температурах, близьких до температури плавлення. Повне знищення залишків кристалічної будови може бути досягнуто тільки при подальшому підвищенні температури і тривалої витримці розплаву.
Особливістю багатьох процесів плавки в ливарному виробництві є необхідність досягнення температур перетворення твердої шихти в стан, при якому в максимально можливій мірі були б знищені залишки структури твердого стану. Це забезпечує отримання, наприклад, необхідних механічних властивостей у багатьох сплавів, зокрема у чавуну.
При плавленні обсяг металів збільшується на 3-4%, що необхідно враховувати при вивченні кристалізації виливків в ливарних формах.
Слід підкреслити, що для якості майбутнього виливка небайдуже з якою інтенсивністю і в якому середовищі проводиться плавлення, а також який ступінь перегріву вище температури плавлення була при цьому досягнута. Перераховані фактори можуть в подальшому вплинути на процес кристалізації виливка і кінцеві її властивості. Наприклад, великий вплив на кристалізацію надають наявні в розплаві частки (підкладки), що утворюють поверхню розділу. Вони можуть служити джерелом гетерогенного зародження кристалів. На цій поверхні, якщо вона змочується рідким металом, можуть утворитися зародки і їх освіту потребуватиме меншої витрати енергії. Велике значення має і крайовий кут змочування між підкладкою і знаходяться на ній зародком твердої фази.
Якщо крайовий кут змочування 0 малий, то поверхнева енергія кордону розділу між твердою фазою і підкладкою також мала. В цьому випадку з атомів рідкого металу легко утворюються зародки твердої фази на поверхні підкладки. Коли 0 = 180 °, підкладка істотно не впливає на процеси зародження тому, що межфазная енергія на кордоні твердої фази і підкладки виявляється досить великий.
Якщо крайовий кут змочування малий, то зародження відбувається Рі незначному переохолодженні, якщо ж крайової кут великий, 0 необхідна велика переохолодження.
Практично всі ливарнісплави в рідкому стані містять певну кількість дрібних нерозчинних домішок, які можуть вплинути на умови кристалізації. Саме тому сплави (в рідкому і твердому станах) слід віднести до колоїдних систем.
Особливістю колоїдних систем такого роду є їх по-лідісперсность. Характер утворюється системи і її здатність до тих чи інших взаємодій безпосередньо пов'язані з умовами плавлення і перегріву металу або сплаву. Багато ливарнісплави, особливо кольорові, містять легкоиспаряющиеся компоненти. У ливарному виробництві тому широко використовують плавку у вакуумі. При будь-якій температурі вище абсолютного нуля всі речовини, в основному рідкі, випаровуються. Молекулярно-кінетична теорія дає пояснення цьому явищу. На поверхні рідини або твердого тіла енергія окремих молекул значно перевищує середню для даної температури. Ця енергія може бути достатньою для відриву молекул і розсіювання їх в навколишньому просторі. Швидкість випаровування речовини визначається тиском його пара, що залежать від температури, і зовнішнім тиском інших газів (наприклад, повітря) над испаряющимся речовиною. Тиск пара випаровується речовини залежить від його природи, температури і кривизни поверхні і майже не залежить від тиску інших газів над испаряющимся речовиною. Однак швидкість дифузії пара, що впливає на загальну швидкість випаровування, зменшується зі збільшенням тиску стороннього газу в системі. Ця обставина враховують і використовують в реальних плавильних процесах для зменшення втрат легкоиспаряющихся компонентів сплаву.
Швидкість випаровування можна значно знизити, якщо вільну поверхню випаровується рідини покрити поверхнево-активною шаром досить великої товщини. Шар шлаку на рідкому металі ускладнює випаровування і є бажаним при звичайній плавці.
Ппи такому рівновазі число молекул, що проникають за одиницю племені через одиницю поверхні розділу з рідини в пар, панно числу молекул, що переходять з пари в рідину. Пружність насичення пара кожного речовини залежить тільки від температури і підвищується з її збільшенням. Видалення парів з поверхні випаровування сприяє постійна «вентиляція» цієї поверхні викликається різними причинами (рухом полум'я, продуктів горіння, підсіву повітря і т. П.). Чим більше турбулентність руху газового потоку над испаряющимся тілом, тим більше віддаляється пара і швидше протікає процес випаровування. Якщо тиск насиченої пари стає рівним зовнішньому тиску або кілька його перевищує, випаровування йде не тільки з поверхні рідини, а й всередині неї. При цьому утворюються бульбашки пара, швидко зростаючі і піднімаються на поверхню. Випаровування переходить в кипіння.
Вивчення фізико-хімічних закономірностей випаровування має велике практичне значення для плавки в умовах вакууму.