Поверхностные явления играют большую роль в кинетике многих процессов, в том числе металлургических

Лекция 36. Роль поверхностных явлений в металлургических процессах.

Известно, что при образовании новой фазы сначала должны образоваться термодинамически неустойчивые зародыши новой фазы. Эта работа связана с наличием у зародыша большой удельной поверхности и должна зависеть поэтому от поверхностного натяжения на границе зародыш – среда. Поэтому вероятность возникновения зародыша должна, с одной стороны, зависеть от величины поверхностного натяжения и от присутствия веществ, изменяющих это поверхностное натяжение. С другой стороны, вещества, адсорбируясь на растущей фазе, могут затормозить этот рост. Процессы рассматриваемого типа имеют значение при использовании т.н. модификаторов. Добавка некоторых веществ (например, бора) уменьшает величину зерна при кристаллизации чугуна.

Таким образом, бор в жидком железе является поверхностно активным веществом. Также поверхностно активны растворенные в железе углерод, кислород, сера.

В жидком оксиде железа (11) поверхностно активными веществами являются кремнезем, оксид титана (1Y).

Процесс перехода элементов из одной фазы в другую (например, из металла в шлак) имеет в качестве одной из последовательных стадий переход через поверхность раздела. Если этот процесс является самым медленным, то его скорость определит общую скорость процесса. Переход через границу раздела зависит от состояния поверхности и адсорбции на ней реагирующих и других компонентов. (Следует отметить, однако, что в основном скорость перехода определяется диффузией).

Особое значение поверхностные явления имеют для понимания свойств твердых тел и протекающих в них процессов. Так в металлах имеются границы между зернами. Избыточная энергия, связанная с ними, пропорциональна их поверхности. Поэтому, оправдано понятие пограничного сгущения свойств и можно говорить об адсорбции на границах зерен.

В металлах, например, имеет место адсорбция примесей на границах зерен. Такая адсорбция, происходящая на микротрещинах и других дефектах металла, уменьшает поверхностное натяжение и облегчает развитие трещин в изделиях. Это особенно опасно для деталей, находящихся по условиям эксплуатации под нагрузкой или в напряженном состоянии.

В некоторых случаях разрушение металла наблюдалось при адсорбции паров воды. Свойства жаропрочных сплавов резко ухудшаются под влиянием примесей тысячных долей процента олова и свинца, которые адсорбируются на границах зерен металла и ослабляют связь между ними.

Понижение поверхностного натяжения при адсорбции может быть, однако, и полезным. Адсорбция вызывает понижение поверхностного натяжения не только жидких, но и твердых тел, что приводит к уменьшению работы, производимой для увеличения поверхности тел, т.е. к измельчению, или диспергированию веществ. Влияние адсорбции на работу диспергированию веществ. Влияние адсорбции на работу диспергирования было впервые открыто акад. П.А. Ребиндером и носит название эффекта Ребиндера. В ряде практических задач (например, обработка металлов резанием, сверлением, бурение скважин и т. п.) этот эффект используется. Добавление в охлаждающую жидкость поверхностно активных веществ ускоряет процессы обработки металлов, например на токарных станках.

С поверхностными явлениями непосредственно связаны трение твердых тел, сварка, пайка и др.

Поверхностные явления играют роль и в системах, содержащих полупроводники.

Поверхностные явления в процессах порошковой металлургии.

Порошки различных металлов и химических соединений, применяемых в порошковой металлургии, являются дисперсными системами. Состояние таких систем в значительной степени определяется их поверхностными свойствами: поверхностной энергией на различных границах раздела, адсорбцией, смачиванием и др.

Поверхностные свойства порошков определяют их технологические свойства. Насыпная масса и степень уплотнения при прессовании обусловлены величиной и формой частиц. Текучесть порошков, кроме плотности и гранулометрического состава, зависит от формы и состояния поверхности частиц.

Порошки металлов, имеющие большую удельную поверхность, характеризуются малой коррозионной стойкостью. При получении порошков для повышения коррозионной стойкости их обрабатывают растворами поверхностно активных веществ. Последние адсорбируются, создают вокруг частиц порошка защитный слой, предохраняющий от коррозии. Обработанные таким образом порошки меди, полученные электролизом, незначительно окисляются при сушке и характеризуются высокой коррозионной стойкостью при 40⁰С по отношению к среде насыщенного водяного пара в присутствии углекислого газа.

При получении порошков методом восстановления большое значение имеет дисперсность исходного сырья. Тонкие порошки с развитой поверхностью получают из мелкодисперсных исходных оксидов при низких температурах, что исключает укрупнение частиц

Одним из наиболее производительных способов получения порошков является распыление жидких металлов и сплавов. Форма частиц зависит от величины поверхностного натяжения расплавленного металла, его вязкости и параметров распыления. Под действием сил поверхностного натяжения частицы расплава стремятся получить сферическую форму, характеризующуюся минимальной свободной поверхностной энергией.

Дата добавления: 2014-01-04