Взаимодействие ЦМ с газами. Основные стадии.

Большинство металлов и сплавов в процессах приготовления расплавов активно взаимодействуют с газами печной атмосферы и литейной формы. Газовой средой над твердой металлической шихтой и расплавом может быть воздух, продукты сгорания топлива, пары воды, углеводороды, сернистый газ и другие. Газовый состав печной атмосферы зависит от типа плавильного агрегата. В электрических печах он близок к составу воздушной атмосферы. В пламенных печах состав атмосферы зависит от состава топлива, количества избыточного воздуха и режима горения. Эти газы делят на три группы: 1) простые двухатомные газы (О2, Н2, N2. С12); 2) газы-окислы (Н2О. CO. CO2. SO2. N0). 3) сложные газы (H2S. NH3, углеводороды и другие). Взаимодействие газов с металлами складывается из трех последовательных процессов - адсорбции, диффузии и растворения (абсорбции). Адсорбцией газов называется процесс, происходящий на поверхности раздела металл-газ, заключающийся в притяжении молекул газа из окружающей атмосферы поверхностными атомами металла. Поступление молекул газа к поверхности расплава происходит вследствие молекулярной диффузии и конвективного массопереноса. Известно, что каждый атом металла, соприкасающийся с атмосферой, подвергается непрерывной бомбардировке молекулами газов. В 1 с один атом металла бомбардируется 106 молекулами газов. На поверхности твердого или жидкого металла имеется слой атомов, образующих силовое поле, которое обуславливает возможность адсорбции молекул газа. Адсорбированные молекулы постепенно могут отрываться от поверхности металла, го есть улетучиваться. Время, в течение которого молекулы газа остаются на поверхности адсорбента, зависит от интенсивности силового поля. Степень адсорбции определяется равновесием между конденсацией и улетучиванием молекул, а количество адсорбированного газа зависит от промежутка времени между этими процессами. При развитом силовом поле скорость улетучивания крайне мала, и поверхность полностью покрывается адсорбированными молекулами газа. Различают физическую и активированную адсорбцию. Физическая адсорбция проявляется в притяжении молекул газа при таких температурах под действием сил Ван-дер-Ваальса. Толщина адсорбированного газового слоя равна диаметру газовой молекулы. При температурах выше нуля в ряде случаев также наблюдается адсорбция газов металлами. Однако она носит избирательный характер. Инертные газы не адсорбируются металлами при температурах выше - 78 °С. При положительных температурах золото и серебро не адсорбирует водород Медь адсорбирует азот только при температурах ниже 20 °С Газы и металлы, не способные к химическим взаимодействиям, не могут при температурах выше нуля адсорбироваться или служить адсорбентами. С увеличением давления количество адсорбированного газа увеличивается, а с повышением температуры резко уменьшается. Отличительной особенностью этого вида адсорбции является полная обратимость процесса и независимость от свойств газа. Такой характер зависимости адсорбции от температуры и поверхностного натяжения описывается уравнением Гиббса: Г=dб/dC*(C/RT) где Г - количество газа, адсорбированного на поверхности металла; б - поверхностное натяжение; С - концентрация газа; Т - температура металла. R - газовая постоянная. Из уравнения следует, что Г > 0. если dб/ dC < 0. При этом количество газа на поверхности металла будет возрастать. Если Г < 0, то происходит обратный процесс - десорбция. Активированная адсорбция (хемосорбция) протекает при повышенных температурах. Этот вид адсорбции проявляется только у отдельных систем газ-металл, в которых газ и металл способны к химическому взаимодействию. Особенность хемосорбции состоит в том, что она носит избирательный характер, присуща только некоторым системам газ-металл, происходит только при температурах выше нуля. Этот процесс необратим и протекает медленно. Теплота активированной адсорбции имеет высокие значения. Например, в системе Ni-О достигает величины примерно 420 кДж/моль. Высокие значения теплоты хемосорбции являются результатом концентрации молекул газа на поверхности адсорбента и их диссоциации на атомы. Следовательно, активированной адсорбцией можно назвать избирательное притяжение молекул газа поверхностью адсорбента, вызванное химическим сродством. При этом молекулы газа диссоциируют на атомы, соединяющиеся с атомами металла непосредственно на его поверхности. Необратимость и малая скорость процесса позволяют считать хемосорбцию подготовительной стадией диффузии. Диффузия газов в металле - это способность газов в атомарном состоянии проникать в глубину твердого или жидкого металла. Способностью диффундировать обладают водород, кислород и азот. Установлено, что газы в металле диффундируют только в атомарном состоянии. Естественно, это имеет место, когда адсорбция не заканчивается сразу же на поверхности химической реакцией. Тот факт, что газы диффундируют в металл только в виде атомов, позволяет говорить о химическом сродстве как обязательной предпосылке диффузии. На процесс диффузии влияют разность концентраций, температура металла и его состояние поверхности, парциальное давление газов, их химическая и физическая природа. Процесс диффузии описывается уравнением Фика: M=D0*F*dC/dX где М - количество газа, диффундирующего в единицу времени через I л площадь F; D0 - коэффициент диффузии; dC/ dX - градиент концентрации. Необходимо учитывать, что на скорость диффузии оказывают влияние легирующие элементы сплава. Природа их влияния связана с изменением периодов кристаллической решетки металла-основы и образованием химических соединений. Скорость диффузии пропорциональна градиенту концентрации, поэтому с увеличением толщины металлического слоя она уменьшается. Замедление скорости движения атомов газа по мере их проникновения в расплав вызвано взаимодействием газа с металлом с образованием нестойких

комплексов газ-металл. Следует учитывать, что если на поверхности металла образуется химическое соединение, то скорость диффузии перестает зависеть от давления. В этом случае скорость диффузии зависит от способности данного газа диффундировать через слой образовавшегося химического соединения. Рассматривая склонность к химическому взаимодействию газов и металлов, можно приближенно судить о способности данного газа диффундировать в металл. Например, инертные газы не диффундируют в металл. Азот диффундирует только в железо и марганец, которые образуют нитриды, но не диффундирует в медь, никель и серебро, которые не образуют нитриды. В результате диффузии газы попадают во внутренн не слои метал ла. Такое поглощение газов металлами называется растворением, или абсорбцией. Газ, растворяясь в металле в атомарном состоянии, может образовать или растворы, или химические соединения.

Растворимость газов в металле определяется законом Сивертса S=KVP где S - концентрация газа в металле, смЗ/100 г, Р - парциальное давление газа в молекулярном состоянии над металлом, мм рт. ст.; К - константа растворимости. Содержание растворенного газа в металле в значительной стелен зависит от температуры расплава. Характер зависимости определяется природой металла-растворителя и газа, состоянием поверхности расплава, давлением. Установлено, что понижение температуры расплава со скоростью более 1 °С/с приводит к неполному выделению газа из раствора. Следовательно, в металл при затвердевании в растворенном виде будет находиться газа больше, чем в равновесном. Газы, оставшиеся в пересыщенном растворе в твердом металле, нельзя считать безвредными. Они могут влиять на прочностные свойства, снижать пластичность металла, изменять коррозионную стойкость. При одинаковой температуре, парциальном давлении, состоянии поверхности расплава растворимость газов зависит от типа кристаллической решетки металла, его атомного строения, агрегатного состоянии металла. Как правило, растворимость газо в металлах, имеющих плотноупакованную решетку, более высокая, чем в металлах с другой решеткой. При одинаковых типах решетки растворимость газов возрастает с увеличением порядкового номера металла в таблице Д И. Менделеева. Так растворимость газов в меди (порядковый номер 29) будет больше чем в никеле (порядковый номер 28) при одинаковом типе кристаллической решетки. При переходе из одного агрегатного состояния в другое растворимость газов резко изменяется. Например, в магнии при температуре плавления (металл еще находится в твердом состоянии) растворено 20 смЗ/100 г водорода, а при температуре затвердевания (металл еще в жидком состоянии) - 26 см /100 г.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: