Темірде және оның балқымаларындағы сутектің ерігіштігі

Металда газдардың ерігіштігінің жалпы заңдылықтары

 

Дәріс мақсаты: Металда газдардың ерігіштігінің заңдылықтарымен танысу.

 

Дәріс жоспары:

1. Болаттағы оттегі

2. Сутектің темірдегі және оның балқымаларындағы ерігіштігі

3. Азоттың ерігіштігі

 

Кілт сөздер: Вюстит, парциалды қысым, қышқылсыздану мүмкіндігі, белсенділік коэффициенті, ерігіштік.

 

Болаттың құрамында әдетте газтектес элементтер болады: оттек, сутек, азот. Жүздеген және мыңдаған пайыздық үлестеріне қарамастан олардың мөлшерінің әсері жоғары, сондай - ақ, металдағы газдар болаттың қасиетін нашарлатады. Жоғарыда көрсетілген элементтер газ тәрізді көпіршіктер, қосылыстар (тотықтар, гидридтер, нитридтер) және ерітінділер түрінде болуы мүмкін. Болаттағы газдардың ерігіштігі температураға және болат құрамына байланысты.

Болаттағы оттегі

Оттегі болатқа негізінен атмосферадан, шикіқұрам материалдардан, қождан оттекпен үрлегенде түседі.

Оттектің сұйық темірде және оның балқымаларында еруі мына реакция бойынша өтеді:

 

1 / 2{ O 2} = [ O ],

мұндағы, { O ₂} және [ O ] - газды фазадағы және ерітіндідегі оттектің мөлшері, %.

 

Ерітіндіге өтетін оттектің мөлшері парциалды қысымға тәуелді және Сивертс заңына бағынады:

 

[ O ] = К [ O ] ∙ (PO 2)0,5,

мұндағы, [ O ] - ерітіндідегі оттектің массалық үлесі, %; К _{[ O ]} - тепе - теңдік константасы; P_{O 2} - сұйық темір үстіндегі газ фазасындағы оттектің тепе - тең парциалды қысымы, атм.

 

Сұйық темір оттекпен қаныққанда мына реакция бойынша артық тотықты фаза түзіледі:

 

хFe + [ O ] = (FexO) ж.

Сұйық темірде еритін оттектің мөлшері вюститпен тепе - тең болады және атақты функционалды тәуелділікпен сипаталады:

 

lg[ O ] = - 6320 / T + 2,734,

мұндағы, T - температура, К; [ O ] - вюститпен тепе - тең ерітіндідегі оттегінің массалық үлесі, %.

Есептеуден көріп тұрғанымыздай, 1873К шамасы үшін [ O ] құрамы 0,23% болады және оған оттектің төмен қысымы (темір тотығының диссоциациялану серпімділігі) сәйкес келеді - 9 ∙ 10^-9 атм, ол вакуумды металлургиялық агрегаттарда тәжірибеде алынатын оттек қысымынан көп төмен.

 

Кесте 1 - Вюститпен тепе - тең оттек мөлшері және оған сәйкес газ фазасындағы парциалды қысымды есептеулердің нәтижелері

 

Т,°С
[ O ], %	0,173	0,185	0,229	0,280	0,339
К [ O ]
PO 2, атм	3 ∙ 10-9	4 ∙ 10-9	9 ∙ 10-9	20 ∙ 10-9	42 ∙ 10-9

 

Осылайша, сұйық темірмен шектескен газ фазасындағы оттектің өте төмен парциалды қысымында Fe_xO түзіліп оның тотығуы жүреді. Темірлі қож астында орналасқан металдағы оттектің ерігіштігі температура жоғарлаған сайын өседі. Темірдің қатуы оттектің ерігіштігінің секірмелі түрде өзгеруімен жүреді. Сәйкесінше температура аралықтарымен δ -, γ - және α - Fe үшін осы сипаттаманың температураға тәуелділік теңдеуі 1 - ші суретте көрсетілген.

 

 

Сурет 1 - Темірдегі оттегі ерігіштігінің температураға тәуелділігі

 

Оттекке жақын элементтерді енгізу оның балқымада ерігіштігін төмендетеді. Егер, R элементпен бірге оттектің мөлшері тепе - теңдіктен жоғары болса, онда, оттек R_mO_n тотығына айналады. Бұл үрдіс a_R ∙ a_O туындысы берілген температурада K_RmOn мәніне жеткенше жүреді. Соңғы шаманың мәні қышқылсыздандырғыш қабілеттің сипаттамасы ретінде қарастырылады:

 

KRmOn = aRm ∙ aOn / aRmOn = [ R ] m ∙ fRm ∙ [ O ] n ∙ fOn / aRmOn.

Қышқылсыздану өнімдері ретінде әртүрлі молекулалық құрамды тотықтар бола алатындықтан, 1г - атом ерітілген оттекке есептелген меншікті қышқылсыздану константасымен жұмыс жасаған ыңғайлы:

 

KRmOn' = aRm/n ∙ aO / (aRmOn)1 /n = [ R ] m/n ∙ fRm/n ∙ [ O ] ∙ fO / (aRmOn)1 /n .

Оттек мөлшерінің қышқылсыздандырғыш концентрациясына тәуелділік теңдеуі:

 

lg[ O ] = 1 / n ∙ lg KRmOn - m / n ∙ lg[ R ] - m / n ∙ lg fR - lg f O + 1 / n ∙ lg aRmOn,

немесе бірінші ретті өзара әрекеттесу параметрлерін есепке ала отырып белсенділік коэффициенті:

 

lg[ O ] = 1 / n ∙ lg KRmOn - m / n ∙ lg[ R ] - (m / n ∙ eRR + eOR) ∙ [ R ] - (m / n ∙ eRO + eOO) ∙ [ O ] + 1 / n ∙ lg aRmOn.

Кейбір жағдайларда e_O^R және e_R^O параметрлерінің арақатынасы былай сипатталады:

 

eRO · Аr (O) = eOR · Аr (Са),

мұндағы, A_r (i) - элементтердің атомдық массасы (мысалы, кальций үшін e_Ca^O = 40 / 16 · e_O^Ca = 2,5 · e_O^Ca). Теңдеудің оң жағында орналасқан [ O ] шамасы мәні аз болғандықтан, (K_RmOn / [ R ] ^m) ^{1 / n} деп жазуға болады, сонда:

 

lg[ O ] = 1 / n ∙ lg KRmOn - m / n ∙ lg[ R ] - (m / n ∙ eRR + eOR) ∙ [ R ] - (m / n ∙ eRO + eOO) ∙ (KRmOn / [ R ] m )1 / n + 1 / n ∙ lg aRmOn.

Көп жағдайда оттек концентрациясы қышқылсыздандырғыш концентрациясынан аз болатынын және салыстырмалы түрде [ O ] шамасы бар e_O^O = - 0,20 маңызды болмағандықтан қосылғыштарды ескермеуге болады. Бұл жағдайда металдағы оттек мөлшерін есептеу үшін ықшамдалған теңдеуді аламыз:

 

lg[ O ] = 1 / n ∙ lg KRmOn - m / n ∙ lg[ R ] - (m / n ∙ eRR + eOR ) ∙ [ R ] + 1 / n ∙ lg aRmOn.

Оттектің минимал мүмкін концентрациясына сәйкес экстремумды анықтау үшін теңдеуді [ R ] бойынша дифференциялдауға болады:

 

∂[ O ] / ∂[ R ] = - m / n ∙ 1 / [ R ] - 2,3 ∙ (m / n ∙ eRR + eOR).

Туындыны нөлге тең деп алып, қышқылсыздандырғыштың қолайлы концентрациясын (оттектің минимал мөлшеріне сәйкес) есептеу үшін мына теңдеуді аламыз:

 

[ R ] min = - m / { n ∙ 2,3 ∙ (m / n ∙ eRR + eOR)}.

Теңдеу бойынша есептелген белгілі температурада (1600°С) оттек мөлшерінің әртүрлі элементтердің концентрациясына тәуелділік қисығы 2 - ші суретте көрсетілген. Суретте оттекті байланыстыру реакцияларында темір қатысатын қышқылсыздандырғыштың шекті мөлшеріне сәйкес нүктелер көрсетілген.

Темірде және оның балқымаларындағы сутектің ерігіштігі

Болаттағы сутектің негізгі көзі болып ылғалмен бірге сутекті енгізетін шикіқұрам материалдар болып табылады.

Азғантай өлшемдеріне байланысты сутек иондары енгізу ерітінділерін түзіп, темір атомдары арасында таралады. [Н] темірдегі ерігіштігі Сивертс заңына бағынады және мына теңдеумен жазылады:

 

1 / 2_2(Г) = [Н]; К_Н = [Н] / ÖРН₂; сәйкес [Н] = Кн ÖРН_2.

 

Сутектің ерігіштігі газ фазасындағы сутектің парциалды қысымының квадрат түбіріне пропорционал және температура жоғарлаған сайын өседі. Осыған сәйкес, аллотропиялық айналымдар кезінде темірдегі [Н] ерігіштігінің (К_н өзгереді) секірмелі өзгерісі жүреді: балқу нүктесінде және α - Fe γ - Fe - ға ауысқанда ерігіштік жоғарлайды, γ - Fe β - Fe - ға ауысқанда төмендейді.

 

 

Сурет 2 - 1600°С температурада темірдегі әртүрлі элементтерден тұратын оттектің тепе - теңдік изотермасы

 

Сұйық темірдегі сутектің ерігіштігіне легірлеуші элементердің әсері белсенділік коэффициентімен (f^R) сипатталады. Гидротүзуші элементтер (Zr, Ti, Nb, V, Ce) сутек ерігіштігін жоғарлатады. Гидрид түзбейтін элементтер (Ni, Mo, Mn, Co, Cr) ерігіштікке нашар әсер етеді. Элементтер тобы (С, Si, P, Al, О және т.б.) сутек ерігіштігін төмендетеді, өйткені, темір атомдары легірлеуші элементтермен карбидтер, силицидтер, фосфидтер және басқа қосылыстар түзеді.

Кристаллдану температурасында сутектің ерігіштігінің 28 - ден 8см³ / 100г - ға дейін секірмелі өзгеруі байқалады. Осыған байланысты темір және оның балқымалары төмен температурада әдетте сутекпен қаныққан болады, бұл оның ерітіндіден бөлінуіне әкеледі. Сутек металдың бос жерлерінде немесе тордың ақау жерлерінде бөлінеді. Онда сутек атомдары молекулалар түзіп, газ тәрізді күйге ауысады.

Егер бос жерлер көлемі үлкен болса (құйма металл), сутек қысымы төмен болады және ол болат сапасына әсер етпейді, егер бос жерлер көлемі үлкен емес болса (қапталған металл), сутектің қысымы кенеттен өседі (1000МПа дейін) және болат сапасын нашарлатады.

Жергілікті сипаттамаға сәйкес бос жерлерге жақын орналасқан сутек қысымы қабаттарға тығыз берілетіндіктен сутектің жоғары қысымы болаттың сынуына әкелмейді. Сыртқы күштердің әсерінен жоғары қысымды сутекке сәйкес микрокөлемдер айналасында болаттың илеу қасиетін күрт төмендететін - сутектік мортсыңғыштықты болдыратын көлемдік тартылыс пайда болады. Сутектік мортсыңғыштық салыстырмалы ұзару немесе тартылу төмендегенде кейде сутектің құрамында 2см³ / 100г соғу тұтқырлығында және осы мөлшер жоғарлағанда білінеді.

Сутек қысымы әсерінен металдың сынуы қысым ішкі кернеулермен қосылып, флокен түзілуге әкелетін болса пайда болады.

Металдағы сутек мөлшерін азайту үшін және оның сапаға зиянды әсерін төмендету үшін келесі әдістер қолданылады:

Металды вакууммен өңдеу

Металды вакуумды камераға салғанда газ фазасындағы Н₂ қысымы төмендейді және ол металдан жойыла бастайды. Вакуум металдағы сутек мөлшерін азайтатын өте тиімді әдіс болып табылады.

Ваннаның қайнауын ұйымдастыру

Көміртектің тотығу реакциясы жүргенде көміртек тотығы түзіледі. СО көпіршіктері ванна арқылы өткенде қайнау эффектісі түзіледі. СО - дан тұратын көпіршіктегі сутектің парциалды қысымы нольге тең, сондықтан, СО көпіршіктері сутекке қарағанда (және азотқа қарағанда) кішкентай вакуумды камералар болып саналады, сосын бұл газдар металдан СО көпіршіктеріне өтеді және сонымен бірге ваннадан шығады. Осылайша, металл қайнағанда онда еріген газдардан тазартылады.