ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ С ГАЗАМИ

 

  Вся электронная библиотека >>>

 ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО>>>

  

 

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО


Раздел: Производство

   

§ 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ С ГАЗАМИ

  

Взаимодействие металлических расплавов с газами представляет собой сложные физико-химические процессы, направленные в сторону равновесия. При плавке в реальной обстановке полное равновесие между газообразной и жидкой фазами достигается крайне редко. Поэтому термодинамические расчеты для состояния равновесия в большинстве случаев показывают лишь направление взаимодействия, которое будет прервано до достижения равновесия.

Для технологии плавки важным является вид взаимодействия расплава с газовой средой. Взаимодействия может и не быть из-за полной взаимной инертности расплава и газа. Взаимодействие может выражаться в образовании химических соединений металл— газ при практическом отсутствии растворимости газа в расплаве, а также раствора газа в расплаве, вслед за чем может начаться возникновение химических соединений.

Наилучшим случаем для плавки является полная инертность в системе газ—металл. Примерами таких систем могут служить любые металлы (сплавы) с инертными газами (аргоном, гелием и др.). Плавка металла в подобной газовой среде не сопряжена ни с потерями металла, ни с его загрязнением. Если взаимодействие расплава с газом сводится к образованию соединений без заметной растворимости газа в расплаве, то в этом случае расплав загрязняется частицами соединений металл—газ (оксидами, нитридами) в виде жидких капель, плен или кристаллов-дендритов. Исключить такое взаимодействие можно лишь снижением парциального давления реагирующего газа до значения, равного или меньшего давления диссоциации образующегося при данной температуре соединения металл—газ.

Изменения растворимости газа в металле в зависимости от температуры имеют большое значение для получения плотных беспористых отливок. В случае, если растворимость газа снижается при понижении температуры и кристаллизации, в расплаве, залитом в литейную форму, будут образовываться газовые пузыри из-за выделения избыточного для низких температур количества газа. Эти газовые пузыри «запутываются» в растущих кристаллах, и отливка получается пористой. Если же АН < 0 и растворимость газа растет с понижением температуры, то подобное явление не- возхможно, поэтому отливка не будет пористой.

В  2 приведены данные о взаимодействии жидких металлов с различными газами, а также с углеродом. Взаимодействие расплава с углеродом предопределяет возможность растворения монооксида углерода, поэтому данный элемент включен в  2. Важно иметь в виду, что в этой таблице отражено только существование раствора газа в жидком металле или отсутствие такого раствора. Количество растворенного газа в таблице не указано, так же как и возможность образования соединений металл—газ.

Взаимодействие с водородом. Хотя содержание водорсда в воздухе ничтожно, в жидких металлах этот газ составляет основную долю растворенных газов. Водород попадает в жидкие металлы вследствие разложения воды расплавом, а также из-за термического разложения углеводородов топлива:

Me + Н20 МеО + 2 [Н]Ме; СпНт->-лС + т[Н]Ме.

Легкоплавкие металлы практически не растворяют водород. Растворимость становится значительной начиная с магния (см.  2). Растворение водорода в ряду от магния до железа включительно сопровождается поглощением теплоты, поэтому повышение температуры вызывает увеличение содержания газа в растворе, а снижение температуры — его уменьшение. В связи с этим в данных металлах при охлаждении и кристаллизации возможно образование газовой пористости, если расплав содержит большое количество водорода. В титане и ванадии растворение водорода является экзотермическим процессом, растворимость растет с понижением температуры, и образование водородной пористости невозможно.

Растворимость водорода при PHi = 105 Па в металлах указана в  3. В этой таблице приведена растворимость водорода в твердом и жидком металле при температуре кристаллизации и в жидком металле при перегреве на 100 °С (/кр + 100 °С).

Взаимодействие жидких сплавов с водородом определяется их составом. Введение в сплав компонентов, способных значительно

растворять водород, повышает растворимость этого газа в расплаве. Так действуют никель в сталях и медных сплавах, магний в алюминиевых сплавах.

Взаимодействие с кислородом. Все жидкие металлы активно взаимодействуют с кислородом. Конечным продуктом являются оксиды. Легкоплавкие металлы от олова до алюминия (см.  2) практически не растворяют кислород. Взаимодействие этих металлов с кислородом сразу приводит к образованию оксидных плен на поверхности расплава. Все остальные металлы способны растворять кислород в определенных количествах, после чего начинается образование соответствующих оксидов.

Металлы, растворяющие кислород и обладающие небольшим сродством к кислороду (энергия образования свободных оксидов при заданной температуре — энергия Гиббса — невелика), образуют при взаимодействии сплавы, которые способны растворять этот газ, например, железоникелевые, медноникелевые.

Если же сплавы на основе подобных металлов содержат даже небольшие количества металлов, обладающих значительно большим сродством к кислороду, растворимость кислорода резко снижается. При взаимодействии с кислородом таких сплавов на поверхности образуются плены, состоящие из оксидов металла, наиболее активного по отношению к кислороду. Подобным образом ведут себя сплавы на основе железа и никеля с кремнием, титаном или алюминием, сплавы на основе меди с оловом, цинком, алюминием, кремнием, хромом.

Взаимодействие с азотом. Азот растворяется в жидких металлах с высокой температурой плавления — начиная с марганца (см.  2). Растворение азота в марганце, никеле и железе сопровождается поглощением теплоты, поэтому понижение температуры вызывает уменьшение растворимости азота в этих металлах. Отсюда возникает вероятность образования газовой пористости, вызванной выделением из раствора азота.

В титане и других тугоплавких металлах азот растворяется с выделением теплоты, поэтому растворимость при понижении температуры увеличивается и, следовательно, газовая пористость образовываться не может.

Растворимость азота в жидких сплавах в общем случае пропорциональна содержанию компонентов. Исключение составляют сплавы на основе железа и никеля с добавками алюминия и титана. В этих жидких сплавах при контакте с газовой средой, содержащей азот, образуются твердые нитриды титана и алюминия в виде включений. Для легкоплавких металлов от олова до алюминия и всех их сплавов, а также меди и медных сплавов азот является практически нейтральным газом.

Взаимодействие с парами воды. Большая часть металлов находясь в жидком состоянии, разлагает воду. Результаты взаимо' действия расплава с водой зависят от характера его взаимодей_ ствия с водородом и кислородом. Если расплав не способен раство„

рять ни водород, ни кислород, то в результате контакта с влагой расплав будет покрываться пленкой оксидов, а водород будет уходить в атмосферу. Так ведут себя олово, свинец, цинк и все сплавы на их основе. Если же расплав не растворяет кислород, но растворяет водород, происходит и окисление поверхности расплава, и насыщение расплава растворенным водородом. Это характерно для магния, алюминия и всех их сплавов. Если расплав способен растворять и кислород, и водород (см.  2), то именно это и будет происходить. При этом конечное равновесие в системе будет определяться парциальным давлением паров воды и концентрациями кислорода и водорода в расплаве.

Взаимодействие с монооксидом углерода. Это взаимодействие определяется возможностью прохождения реакций Me + СО ->•

МеО + С; Me + СО [Me + О] + С; Me + СО [Me + + С + 0].

Свинец, олово и медь практически с монооксидом углерода не взаимодействуют, и СО для этих металлов может рассматриваться как нейтральный газ. Для цинка, магния, алюминия СО является окислительным газом, и взаимодействие с ним приводит к образованию нерастворимых оксидов на поверхности расплава. Для всех прочих металлов, указанных в  2, между атмосферой, содержащей СО, и расплавом устанавливается равновесие, характеризуемое определенным содержанием кислорода и углерода в расплаве. Важным является то, что при понижении температуры это равновесие сдвигается влево, в сторону образования СО. Следовательно, расплавы этих металлов, содержащие растворенные углерод и кислород, при охлаждении и кристаллизации могут поражаться газовой пористостью, образованной СО. Подобное явление происходит при кристаллизации кипящих деформируемых сталей и литейных углеродистых сталей в случае недостаточного раскисления.

 

СОДЕРЖАНИЕ:  Литейное производство: Учебник для металлургических специальностей вузов

 

Смотрите также:

 

Взаимодействие расплавляемого при сварке металла...

9.2. Взаимодействие расплавляемого при сварке металла с газами. Кислород — наиболее активный после фтора газ. Он поступает в зону сварки из воздуха, из электродных покрытий и из расплавляемого металла...

 

металлургия. Влияние продувки металла на физические...

По определению физических свойств металлических расплавов до и после
Повышение средней энергии мех-частичного взаимодействия и увеличение степени однородности расплава
" Следовательно, продувка металла инертным газом...

 

Взаимодействие металла со шлаком и газами

Металлургическая обработка металла выделяющимися при сварке шлаком и газами заключается в процессах раскисления
Возможно только взаимодействие с оксидом железа FeO, находящимся в стали и в присадочной проволоке, а также с водоро-дом...

 

Удаление газов и неметаллических включений...

При продувке расплава пузыри газа, проходящие через расплав, способствуют флотации включений. Поверхностное натяжение сгвкл_г меньше адгезии включения к металлу см-вкл, т-е-^вкл-г < ^м-вкл...

 

Методы введения материалов в металл

...усвоения кальция и значительно снижает степень взаимодействия металлической ванны с атмосферой.
снижения температуры расплава, наблюдается меньшее его загрязнение неметаллическими включениями и не требуется использования газа для...

 

Внепечная обработка чугуна и стали

Удаление газов и неметаллических включений, перемешивание расплава.
Взаимодействие металла с атмосферой. Шлаки и флюсы в промежуточном ковше. Продувка металла газами.

 

Последние добавления:

 

Калина   Организация производства и управление предприятием