Файл: Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии.pdf

для которой константа равновесия записывается ів виде:

Экспери,менты, проведенные методом закалки с ис­ пользованием ПВС в широком температурном интервале, показали, что растворимость двухатомных газов в жид­ ких металлах подчиняется закону Сивертса.

Водород является одним из источников образования пороков металла в литом состоянии. Экспериментальные данные по растворимости водорода в жидких металлах при высоких температурах, характерных для новейших способов плавки металлов и сплавов, чрезвычайно огра­ ниченны. В работах [90—94] на установке ПВС, показан­ ной на рис. 50, изучали растворимость водорода в рас­ плавленных алюминии, титане, никеле, железе и ниобии

106

от температур плавления до температур кипения. На рис. 51 приведены кривые, описывающие ее в зависи­ мости от температуры. Экстремум на кривых раствори­ мости для алюминия, железа и никеля в области высо­ ких температур объясняется интенсивным развитием про­ цессов испарения. Поэтому при учете указанного процес­ са аналитические зависимости для этих металлов в вы­ сокотемпературной области могут быть представлены в виде кривых, показанных пунктиром. Однако отметим при этом, что в этих зависимостях не учтена температур­ ная функция давления паров металла, поскольку это значительно усложняет уравнение. Имеется принципи­ альное различие в характере растворимости водорода: в алюминии, железе и никеле повышение температуры жидкого металла приводит к увеличению растворимости

Рис. 51. Растворимость водорода >в жидких алюминии, титане [90],

железе [54], никеле [91] и ниобии [93] ( S ^ выражено в см’/ІОО г)

«2

107

водорода, тогда как в ниобии и титане при этом наблю­ дается заметное уменьшение растворимости. Интересно, что экстраполяция результатов, полученных методом ПВС, в сторону низких температур, при которых обычно - проводятся опыты традиционными экспериментальными методами, .позволила рассчитать значения растворимости водорода, практически не отличающиеся от определен­ ных ранее.

Известно, что азот даже в небольших концентрациях сильно влияет на механические характеристики метал­ лов. Поэтому выполнено большое число исследований по растворимости азота в железе и его сплавах. Экспери­

жидком железе заметно различаются независимо от ис­ пользованного метода исследования, что не позволяет производить надежную экстраполяцию имеющихся за­ висимостей на более высокие температуры, при которых ведутся многие новейшие металлургические процессы.

В семидесятых годах впервые была исследована растворимость азота в чистом железе в интервале тем­ ператур 1700—2650°С [96—98, 100, 104]. В работе [8 ]

сообщалось о растворимости азота в жидких бинарных сплавах железа при различных парциальных давлениях азота, причем содержание азота в железе удавалось доводить от следов до 0,0445% в течение 50 с. Установ­ лено1, что, как правило, через 25—30 с происходит на­ сыщение азотом, однако скорость растворения его в этих

Благодаря отсутствию тигля и возможности достижения высоких температур удалось с удовлетворительной точ­ ностью исследовать растворимость азота в таком широт ком температурном диапазоне. Растворимость азота от температуры, по данным различных авторов, приведена на рис. 52. При повышенных температурах интенсивное испарение металла приводит к кажущемуся снижению парциального давления азота в зоне реакции, вследствие

108

Однако в работе [101]', была определена несколько иная температурная зависимость растворимости азота в жид­ ком железе: хотя при 1900°С растворимость азота рав­ на 0,050%, т. е. соответствует данным работы [95], тѳм не менее .при увеличении температуры до 2500°С значе­ ние растворимости постепенно уменьшается, что проти­ воречит результатам ряда экспериментальных работ [95, 1 0 2 , 103]1. Причиной такого расхождения может быть

сильное влияние ларов железа, которое не учитывали авторы работы [ 1 0 1 ], наряду с недостаточно полной фик­

сацией растворенного в жидком железе азота в процес­ се закалки.

Параллельно с определением характера температур-

.ной зависимости растворимости азота в жидком железе с помощью метода ПВС удалось обнаружить существен­ ное влияние углерода при температурах 1750, 1960 и 2150°С [ 1 1 , 97]. Интересным представляется параллель­

ный ход кривых в координатах [% N] — [% С], полу­ ченных для разных температур. В связи с трудностями, вызванными фиксацией растворенного в жидком -метал­ ле азота и возможными ошибками при измерении тем­ пературы и парциального давления азота в газовой фазе наблюдается расхождение экспериментальных кривых. Это особенно характерно для низких концентраций угле­ рода в железе. Этим же методом исследована раство­ римость азота при различных содержаниях кислорода в расплавленном железе [12, 104].

109

Результаты исследования растворимости азога в жидком железе в диапазоне температур 1700—2200°С методом закалки жидкого металла из взвешенного сос­ тояния показывают, что в пределах точности экспери­ мента .поведение азота в железе с различными примеся­ ми кислорода и углерода также подчиняется закону Сивертоа.

Большое внимание было уделено изучению раствори­ мости азота в расплавах Fe—V при 1800—2200°С [99]. Опыты проводили в газовых смесях с различным пар­ циальным давлением азота. Содержание ванадия изме­ нялось от 5,94 до 50,6%. Установлено, что растворимость азота в расплавах Fe—V увеличивается с повышением концентрации ванадия и понижается с увеличением тем­

практически не осуществимо никаким другим известным методом [101]. Установлено, что растворимость состав­ ляет 1,80% при 1650°С и увеличивается с ростом темпе­ ратуры. При температурах >1800°С наблюдалось резкое уменьшение значений растворимости, что можно объяс­ нить, как и для растворения азота в жидком железе, термодиффузией в газовой смеси и разбавлением азота металлическим паром. ’

Основными легирующими компонентами нержавею­ щих сталей являются никель и хром, поэтому изучению систем Fe—Сг—N и Fe—Ni—N постоянно уделяется

110

большое внимание. Причиной дефектов сварных швов различных изделий из никелевых и хромистых сплавов являются поры, заполненные, 'очевидно, азотом из-за резкого снижения его растворимости с понижением тем-

,пературы. Испытания нержавеющей стали с 26%Сг по­ казали [106], что она обладает удовлетворительной

свариваемостью и антикоррозионной стойкостью при ус­ ловии, что [%С] + [% N ];« 0,015%. Эксперименты с

гПВС показали, что возможности этого метода позволя­ ют достигать очень низких концентр аций изота в стали,

■которые приближаются к термодинамически равновес­ ным. Кроме того, интерес к растворимости азота в по­ добных сталях стимулировала наметившаяся в последние годы тенденция к использованию в промышленности нержавеющих аустенитных сталей, которые легированы азотом при соответствующем снижении содержания никеля.

Контроль содержания азота в сварочной ванне возмо­ жен только при условии, если известна растворимость азота в этих сплавах в зависимости от температуры рас­ плава и парциального давления азота в газовой фазе. Установлено, что никель снижает растворимость азота в

лось надежно зафиксировать азот в металле и в резуль­ тате содержание азота в верхнем и нижнем участках слитка было различным. При исследовании сплавов Fe—Ni 'опыты проводили при температурах, не превы­ шающих 2100°С, чтобы избежать влияние испарения на

' растворимость азота [107, с. 51]. Температурная зави­ симость растворимости азота в сплавах железа с 21,5 и 59,0% №Тг,мела следующий вид:

(34)

(35) Растворимость азота в чистом никеле в том же диа­

111