Форма существования примесей в железе и свойства сплавов железа

 

    При изучении механизма и кинетики процессов производства металлов особый интерес представляет форма существования отдельных элементов в жидких сплавах. Это связано с тем, что от этого зависят свойства расплава, скорость переноса в нем компонентов к месту реакции, а также скорость самой реакции.

    Вопрос о форме существования компонентов в жидких сплавах очень сложен.

Введение в железо различных примесных элементов (C, Si, Mn, Ni, Cr, O, S, P и др.) изменяет электронное строение расплавов.

В зависимости от природы примесного элемента (размера и электронной структуры) форма его существования в расплаве в разной степени отличается от формы существования железа.

Результаты

– определения физических структурно-чувствительных свойств расплавов (плотности, вязкости, электропроводности и др.),

– данные физико-химического и рентгеноструктурного анализов

позволяют примеси, растворенные в железе, по форме существования условно разбить на следующие четыре группы.

I. Марганец, хром, никель, ванадий и другие металлы, расположенные с железом в одной или смежных группах Периодической системы элементов.

Эти примеси обладают неограниченной растворимостью в жидком железе и высокой (часто неограниченной) в твердом. Образуют растворы замещения.

Считают, что Mn, Cr, Ni, V и др. в расплаве находятся в таком же состоянии, как и железо.

II. Углерод, азот, водород имеют меньшие радиусы атомов (3×–7×нм), чем железо (12,7×нм). Образуют растворы внедрения

III. Кремний и фосфор в жидком железе растворяются неограниченно, а в твердом их растворимость ограничена (Si до 19%, а P до 2,8 мас.%).

Они с железом образуют прочные соединения (FeSi и Fe₂P)

IV. Кислород и сера обладают малой растворимостью в твердом железе

(менее 0,01 мас.% О и 0,015 мас.% S), в жидком –заметно большая растворимость.

С железом кислород и сера образуют прочные соединения: оксиды и сульфиды. Химическая связь в оксидах и сульфидах железа ионно-ковалентная.

В расплаве кислород и сера находятся в виде анионов (О^x–, S^y–).

    Растворение примесей в жидком железе вызывает изменение свойств металлического расплава и влияет на протекание сталеплавильных процессов.

    Вязкость связана со структурой расплава и природой сил, действующих между частицами.

Вязкость характеризуется силой сопротивления F_h перемещению одного слоя жидкости относительно другого при площади их контакта S и при градиенте относительной скорости по нормали к поверхности раздела между ними dw /dx:

.                                                     (1)

Здесь h – коэффициент динамической вязкости, зависящий от температуры:

,                                            (2)

где A – постоянный коэффициент; E_h – энергия активации вязкого течения – энергия, необходимая для перехода 1 моля частиц из одних положений равновесия в другие.

При температурах сталеплавильных процессов (1570 – 1650 °С) вязкость металла (0,004 – 0,006 Па×с) имеет тот же порядок, что и вязкость воды.

Углерод понижает вязкость железа,

Марганец, кремний, хром в несколько меньшей степени понижают ее.

Кислород, сера, азот вязкость железа повышают.

Поверхностное натяжение отражает характер и величину сил межчастичного взаимодействия в расплаве и влияет на интенсивность протекания гетерогенных процессов.

Поверхностное натяжение жидкого железа при 1550 °С равно 1800 – 1850 мДж/м². Растворение в железе большинства компонентов обычно вызывает понижение поверхностного натяжения. Эти примеси являются поверхностно-активными.

Кислород и сера – сильные поверхностно-активные элементы для стали

Углерод, кремний, фосфор, титан и др. обладают слабой поверхностной активностью в железе.

    Плотность металлов при плавлении уменьшается в пределах 1 – 7%.

    Теплопроводность и электропроводность металлов, как правило, при плавлении несколько уменьшается.