Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним

Многие металлы ограниченно растворяют свои окислы ( сульфиды, нитриды, фосфиды ). Закономерности этого процесса рассмотрим на примере сродства к кислороду.

Рассмотрим реакцию

n [ Me ] + O2 = m [ MexOy ]

Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

Применительно к металлу-растворителю аМе = 1.

Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru – стандартный изобарный потенциал образования 1 моля МехОу

Таким образом,

Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

Из уравнения следует, что химическое сродство к кислороду металла-растворителя растет с уменьшением концентрации кислорода и при увеличении парциального давления кислорода над металлом-растворителем.

[ %0 ]нас, определяется для данной температуры по диаграмме состояния Ме – 0, а также по эмпирическим формулам:

Fe ln[ %0 ]нас = – 6320/T + 2,734

Ni ln[ %0 ]нас = – 13300/T + 7,21

Cu ln[ %0 ]нас = – 8440/T + 5,9

Если [ %0 ] → 0, то ΔGт → – ∞ т.е. сродство металла к кислороду бесконечно велико и металл окислится при наличии кислорода в газовой фазе, т.е. добиться освобождения от кислорода при сварке невозможно. При [ %0 ] = [ %0 ]нас металл-растворитель обладает стандартным сродством к кислороду.

Химическое сродство к кислороду легирующих элементов

Окислы легирующих элементов в молекулярном виде не растворяются. Они выделяются в обособленную фазу или переходят в другой раствор ( шлак или газовую фазу ).

Рассмотрим реакцию окисления легирующего элемента R

n´ [ R ] + O2 = m´Rx´Oy´

Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

В металлургической практике концентрация выражаются в % по массе

[ aR ] = ξ γ [ %R ]

Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

т. к. ΔG1% = RTln γξ

Из уравнения следует, что химическое сродство элементов к кислороду уменьшается с уменьшением их концентрации и с уменьшением парциального давления кислорода.

Раскисление металлов

Высокие температуры при сварке с одной стороны понижают термодинамическую устойчивость оксидов, но, с другой стороны, скорость их образования резко увеличивается. Поглощенный кислород находится в виде растворяемых окислов ( для железа – Fe ), а также в виде неметаллических включений. Это резко снижает качество сварного соединения, особенно пластичность. Удалить кислород можно путем раскисления.

Различают диффузионное и осаждающее раскисление.

Диффузионное раскисление состоит в экстрагировании кислорода ( окисла основы справа ) с помощью шлака.

Раскислением осаждением состоит в связывании растворяемого в сплаве кислорода в окислы легирующих элементов – раскислителей, нерастворимых в основе сплава. Раскислителем может служить элемент, у которого химическое сродство к кислороду больше, чем у основы сплава.

Расчет раскислительной способности элемента сводится к определению зависимости между концентрацией легирующего элемента и кислорода в основе сплава.

Рассмотрим пример реакции раскисления

m[ MexOy ] + n´ [ R ] = m´ ( Rx´Oy´ ) + n[ Me ]

Оно получено путем комбинации реакций

Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru n´[ R ] + O2 = m´( Rx´Oy´ )

n[ Me ] + O2 = m( MexOy )

Условие термодинамического равновесия – равенство 0 приращения изобарного потенциала

Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

Если в уравнении реакции раскисления принять m = 1, то после преобразований получим:

Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

Для многих элементов-раскислителей в металлургической литературе приводятся значения констант равновесия

Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

Обычно aRx´Oy´ = 1

Раскислительная способность элементов при 18790К приведена на графике

Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

           
Si
C
Mn
- 1
Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

       
- 2

       
Al
- 3
Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

       
Ce
- 4
Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

       

lg [ %R ]Fe  
- 1
- 2
- 3
- 4
Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru Химическое сродство к газу жидких металлов, которые ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним - student2.ru

С ростом температуры раскислительная способность падает.

Марганец является сравнительно слабым раскислителем, однако он широко применяется в сварочной металлургии для связывания серы с образованием MnS.

Сульфид марганца имеет температуру плавления 18830К, т.е. выше температуры плавления железа. Известно , что сульфид железа FeS c температурой плавления образует при кристаллизации легкоплавкие прослойки по границам зерен, значительно ухудшая механические свойства.

Недостаток процесса раскисления осаждением – образование шлаковых включений. Для более интенсивного их удаления проводится комплексное легирование Mn + Si, т.к. сплав их оксидов имеет более низкую температуру плавления.

Наши рекомендации