Дәріс. Металлургия балқымаларының тығыздығын өлшеу әдістері. (2 сағат).

Сұ йық металдардың тығ ыздығ ы.

Тығ ыздық d, балқ ымалардың негізгі физикалық сипаттамаларының бірі, ол тікелей кө птеген басқ а физикалық сипаттамалармен (беттік керіліспен σ, сығ ылғ ыштық пен χ, жылусыйымдылық пен Сv, динамикалық тұ тқ ырлық пен η, сұ йық балқ ымалардағ ы аралас жылулық пен Δ H_см) байланысты жә не келесідей ө рнектелінеді:

a² = σ /(dg); β = γ Сv χ /V; η = ν d, (39)

мұ ндағ ы а²— капиллярлық тұ рақ ты; g — еркін тү су ү деуі; β — кө лемдің кең ею коэффициенті; V — кө лем; v — кинематикалық тұ тқ ырлық.

Балқ ымалардың тығ ыздығ ын ө лшеудің кө птеген ә дістерінің ішінен таралу дә режесі жә не дә лдігі бойынша келесілерін бө ліп кө рсетуге болады: 1) гидростатикалық таразылау; 2) дилатометриялық; 3) пикнометриялық; 4) ө тетін сә улелену; 5) кө піршіктің максимал қ ысымы жә не тамшы ә дісі (ү лкен жә не жабыстырылғ ан). Олардың кейбіреуін қ арастырып кө рейік.

Гидростатикалық таразылау ә дісі.

Бұ л ә дісте сұ йық қ а батырылғ ан дене массасына араналғ ан қ атынастар қ олданылады. Итеру кү шінің ық палынан дене массасы итеріліп шығ арылғ ан сұ йық тың массасының шамасына Δ М азаяды:

Δ М = Vd (40)

мұ ндағ ы d— сұ йық тығ ыздығ ы; V— бататын дене кө лемі.

Массаның ө згерісін тіркеу ү шін таразылар қ олданылады. Балқ ымағ а жің ішке штокқ а бекітілген вольфрамнан, молибденнен немесе платинадан жасалғ ан шарик батырылады. Металдан жасалғ ан ауыр денені батыруғ а қ олдану, балқ ыманың беттік керіліс кү шін жең у ү шін ілмелі жү йенің тө мендетілген ауырлық центрін талап етуімен шартталады, бірақ ол дене зерттелетін балқ ымаларда ерімеуі қ ажет. Агрессивті орталарда, мысалығ а темір балқ ымаларына вольфра­мды немесе молибденді денелерді батыру кезінде оларды А1₂О_з немесе ZrO₂ жасалғ ан қ орғ аушы жұ қ а қ абатпен қ аптайды.

Суретте 11 гидростатикалық таразылау ә дісімен тығ ыздық ты ө лшеуге арналғ ан қ ондырғ ының сұ лбасы кескінделген. Аналитикалық таразының бір табағ ына 1батырылатын денелі шток бекітілген 2, ол тигелдегі балқ ымамен 3 пеште 4 орналасқ ан.Тә жірибенің ең басты қ атесі, ол беттік керіліс кү шінің батырылғ ан денені итеру кү шіне ық палынан пайда болатын қ ателер болып табылады. Оның ық палын болдырмау ү шін батырылатын дененің кө лемін ә ртү рлі болуы қ ажет. Егер V₁жә не V₂— батырылатын денелер кө лемі болса, батырылу денесіне ық пал ететін кү штер F₁ жә не F_2, олардың арасындағ ы байланыс келесі қ атынаспен беріледі:

F₁ = V₁d — 2π rσ cos φ (41)

F₂ = V₂d —2π rσ cos φ

мұ ндағ ы σ — балқ ыманың беттік керілуі; φ — балқ ыма беті мен радиусы r шток арасындағ ы бұ рыш.

Тең деудің (32) d қ атысты шешімі келесі тү рде болады:

d = (F₁ - F₂)/ (V₁- V₂) (42)

Беттік керілістің балқ ыма тығ ыздығ ына ық палы тығ ыздық тың 5—10 % қ ұ райды жә не келесі тең деумен анық талады:

Δ d = (π Dσ)/(Vg) (43)

11 сурет. Гидростатикалық батыру ә дісімен балқ ымалар тығ ыздығ ын анық тауғ а арналғ ан қ ондырғ ының сұ лбасы.

мұ ндағ ы D=2r; g— еркін тү су ү деуі.

Бұ л ә діс бойынша тығ ыздық келесі тең деумен анық талады:

d = [P₁ — Р₂ + (π Dσ /g)]/V (44)

мұ ндағ ы P₁ жә не Р₂— ауада жә не балқ ымада батырылатын дененің массасы.

Ә дістің артық шылығ ы экспериментті қ ою қ арапайымдылығ ында. Дегенмен эксперименттік қ иындық тарда болады: дененің балқ ыма беттігіне жанасу кезең індегі беттік керіліс кү шінің ә рекеті салдарынан дененің ауытқ уы, батырылатын дене материалының беттік керіліс жә не кең ею коэффициенттерін алдын ала анық тау. Ә дістің дә лдігі 0, 1-1 %.

Дилатометриялық ә діс.

Бұ л ә дісте капиллярдағ ы немесе ұ зартылғ ан тигельдегі балқ ыманың кө терілуінің биіктігі экспериментті тү рде анық талады. Тығ ыздық ты келесі тең деумен анық тайды:

d = 4P/ π D² h (45)

мұ ндағ ы D— капиллярдың (тигельдің) диаметрі; h— балқ ыма биіктігі; Р — балқ ыма массасы;

Суретте 12 дилатометр ә дісімен сұ йық металдардың тығ ыздығ ын анық тауғ а арналғ ан қ ондырғ ы кескінделген. Балқ ыма қ ұ йылғ ан тигель 1 кедергілі пештің қ ыздырғ ышының 2 изотермиялық аймағ ына орналастырылғ ан. Ваку­умдық нығ ыздаушы арқ ылы 4 шток 3 беріледі, ол микрометрмен 5 байланыстырылғ ан, микрометрдің басы тө мендеткіш редуктор 6 арқ ылы электрқ озғ алтқ ышпен 7 қ осылғ ан. Электрқ озғ алтқ ышты қ осқ ан кезде шток баяу тө мен тү седі. Штоктың балқ ыма бетімен жанасуы кезінде тізбек тұ йық талады, шам жанады 9 жә не электрқ озғ алтқ ыштың ажырататын тізбегі реле 8 іске қ осылады.Штоктың белгіленген жағ дайы микрометр шкаласы бойынша анық талады жә не тигельдің бос тә жірибедегі қ ондырылуы мен термиялық кең еюін ескере отырып Һ анық талады

Тө менгі температуралы (< 1000 °С) металл балқ ымаларының тығ ыздығ ын ө лшеу ү шін, кварцпен ө зара ә рекеттеспейтін, қ арапайым ә діс қ олданылады — 13 суретте кө рсетілгендей, кварц ампулағ а орналастырылғ ан балқ ыманың биіктігін тікелей ө лшеу. Пешке 2 орналастырылғ ан, вакуумда ашылғ ан ампула 1, жарық тандырғ ышпен 3 кө рінеді. Балқ ыманың ампуладағ ы кө терілу биіктігі катетометрмен 4 белгіленеді, дә лдігі 0, 001 мм. Бұ л ә діспен тығ ыздық ты анық тау дә лдігі 1 % аспайды.

12 сурет. Металдық балқ ымалардың тығ ыздығ ын дилатометриялық ә діспен анық тауғ а арналғ ан қ ондырғ ы.

13 сурет. Балқ ыманың тығ ыздығ ын анық таудың дилатометрлік ә дісі.

Пикнометрлік ә діс.

Пикнометрия — белгілі сұ йық кө лемінің массасын анық тау. Тө менгі температуралы (< 1000 °С) балқ ымалардың тығ ыздығ ын ө лшеу ү шін (мысалы сұ йық германийдің), кварцты, мө лдір пикнометрлерді қ олданады (14 сурет), ол зерттелетін ү лгіге арналғ ан қ абылдағ ыш пен калибрленген капиллярдан тұ рады. Тығ ыздық жә не тығ ыздық тың температурағ а тә уелділігі, сонымен қ атар балқ ыту кезіндегі тығ ыздық тың ө згеруін сұ йық тұ здың дең гейінің кө терілу биіктігін белгілей отырып анық тайды. Жоғ ары температуралы балқ ымалар тығ ыздығ ын (мысалы, сұ йық темір) АL₂Оз жасалғ ан пикнометрмен ө лшейді (14 сурет). Сұ йық метлл пикнометр сыйымдылығ ын калибрленген тар саң ылау арқ ылы толтырады. Балқ ымағ а батырылар алдында пикнометр балқ ыма ү стінде қ ыздырылады жә не пеш кең істігінде вакуум туады. Пикнометрдің ішкі кө лемін бө лме температурасында сынаппен калибрлейді. Берілген температуралар ү шін пикнометрдің ішкі кө лемінің ө згерісін ескереді. Ә дістің кемшілігі: бір тә жірибенің уақ ытындағ ы тығ ыздық ты тек қ ана бір температура кезінде жә не балқ ыманың бір қ ұ рамы ү шін анық тауғ а болатындығ ы. Дайындалуы кү рделі пикнометр тек қ ана бір тә жірибе ү шін қ ызмет етеді.

Келесі 14 суретте кескінделген пикнометрдің қ ұ рылысы қ арапайымдау. Металл ти­гельге 4 артығ ымен тиеледі жә не сонда балқ ытылады. Тигель ү стіне шық қ ан балқ ыма артық шылығ ын, тигельдің жоғ арғ ы жағ ын отқ а тө зімді жалпақ жолақ шамен 5 баса отырып, тү зілген менискіні алады. Белгіленген балқ ыма кө лемі кристалданады. Содан соң оны таразылайды. Ө лшеу қ атесі 0, 1— 0, 01% қ ұ райды.

14 сурет. Балқ ымалардың тығ ыздығ ын анық тауғ а арналғ ан пикнометрлердің тү рлері:

1 — кварцты ампула; 2 — NaCl балқ ымасы; 3 —германий; 4 — пикномет­р корпусы;

5 — пикнометрдің ішкі жолағ ы; 6 — отқ а тө зімді тығ ын; 7 — калиб­рленген капилляр.

Газ кө бігінің максимал қ ысымы ә дісі.

Бұ л ә дісте металл былаудың Н терең дігіндегі, газ кө бігіндегі қ ысым р_нмен балқ ыма тығ ыздығ ы d арасындағ ы қ атынас қ олданылғ ан:

р_н = dgН + 2/σ r (46)

мұ ндағ ы r— кө піршік радиусы; σ — тартылу беттігі.

Тигельдегі зерттелетін балқ ымағ а (15 сурет) терможұ п 5 жә не капилляр 6 батырылады, ол «пышақ тай» қ айралғ ан. Капилля­р бойынша тазартылғ ан инер­тті газ береді. Кө піршік ішіндегі қ ысым металл қ ысымынан асқ ан кезде, кө піршіктің капил­лярдан ү зілуі жү реді. Кө біктегі қ ысым, оның ү зілген кезіндегі, белгілі тығ ыздық ты сұ йық пен толтырылғ ан манометрмен анық тайды. Балқ ыманың тығ ыздығ ын анық тау ү шін, капиллярдың ә ртү рлі терең дікке батырылуындағ ы капиллярдан кө піршіктің ү зілу қ ысымын анық тайды. Егер Δ Н — ә ртү рлі горизонттағ ы манометрлік сұ йық тың сантиметрімен кө біктегі газдың максимал қ ысымы шамаларының айырмалары, ал Δ Н₁ — кө біктегі газдың максимал қ ысымының ө лшеуі жү ргізілген дең гейлер айырмасы, онда:

Δ Нd = Δ Н₁d₁ (47)

мұ ндағ ы d— маномет­рлік сұ йық тың тығ ыздығ ы; d₁— зерттелетін балқ ыманың тығ ыздығ ы.

15 сурет. Газдық кө бігінің максимал қ ысымы ә дісімен тығ ыздық ты жә не беттік керілісті анық тауғ а арналғ ан қ ондырғ ы:

1 – инертті газды беру торабы; 2 – кедергілі пеш; 3 – зерттелетін балқ ымаcы бар тигель; 4 - сү йеуші шток; 5 - терможұ п; 6 — капилляр.

Ә дістің қ иындығ ын нә тижелерді ө ндіру ү шін капилляр мө лшерлерінің тұ рақ тылығ ын ұ стап тұ ру қ ажеттілігі тудырады, жоғ ары температуралар кезінде бұ л ө те кү рделі. Балқ ымалардың тығ ыздығ ын анық тап, осы ә діспен балқ ымалардың беттік керілісін 38 тең деу бойынша анық тайды. Тығ ыздық ты ө лшеу қ ателігі 1, 0—0, 5 % қ ұ райды.

Ә дебиет: 1нег. [10-79], 6 нег. [209-266].

Бақ ылау сұ рақ тары:

5. Тығ ыздық ты ө лшеудің гидростатикалық ө лшеу ә дісі.

6. Тығ ыздық ты ө лшеудің д илатометриялық ә дісі.

7. Тығ ыздық ты ө лшеудің п икнометриялық ә дісі.

8. Газ кө бігіндегі максималды қ ысым ә дісі.