Растворимость газов в металлических расплавах

К газам в стали относят, как правило, азот и водород. Осо­бенностью растворения азота и водорода в металлических расплавах является то, что они диссоциируют на атомы. В этом случае реакция растворения газа (Г) записывается в виде

. (34)

Величина растворимости газов в чистых металлах невелика (например, при 1873 К растворимость азота в железе составляет 0,044%). Растворы можно считать разбавленными и подчиняющимися закону Сивертса (частный случай закона Генри):

, (35)

где – константа Сивертса, являющаяся функцией температуры.

Если рассмотреть растворение газов в сплавах, то вместо концентрации следует подставлять значение активности, тем самым учитывать влияние добавляемого элемента на растворимость газа. Связь между растворимостью газа в чистом металле и легированном растворе можно определить, исходя из следующих соображений.

Допустим, что при постоянных температуре и давлении в равновесии с газовой фазой (Г) находятся два расплава: чистый металл (`) и металл с добавками легирующих элементов (``). Естественно, что активность азота в обоих растворах должна быть одинаковой:

. (36)

Причем

. (37)

Из соотношений (36), (37) следует

. (38)

Выражение (38) позволяет рассчитать концентрацию азота в расплаве известного состава. Значение коэффициента активности целесообразно определять по значениям параметров взаимодействия (табл. 10). Константу равновесия реакции (34) определяют по данным об изменении энергии Гиббса (табл. 11).

При изменении давления и температуры жидкого металла возможно как выделение газа, так и поглощение его расплавом. Для расчета объема газа, выделившегося из расплава при понижении давления и постоянной температуре можно использовать уравнение Менделеева – Клапейрона:

, (39)

где – объем газа, – масса газа, – молекулярная масса газа, г/моль; R=8,314 Дж/(моль·К) – газовая постоянная.

Таблица 10

Значение параметров взаимодействия в расплавах на основе и [1]

Растворитель
	N	0,047	–0,0123	–0,0467	–0,0197	0,123
H	0,026	0,0020	0,0033	–0,0012	0,065
	N		–0,043	–0,1000	–0,051	0,090
H	0,033		0,0020

Таблица 11

Изменение энергии Гиббса при растворении газов [4]

Растворитель	Газ	Дж/моль
A	B
	N	10 500	20,37
H	36 500	30,46
	N	69 270	18,68
H	20 100	35,10

Задание

1. Определить растворимость азота и водорода в распла­ве , а также в легированных расплавах на их основе, при температурах Т₁ и Т₂ .

2. Рассчитать объем газа, выделившегося из расплава при уменьшении давления с 1 атмдо величины . Данные в табл. 12.

Таблица 12

№ вари-анта			атм	Содержание легирующих элементов, %
			0,01	0,5	1,0	1,0	0,5	0,1
			0,03	0,6	0,9	1,5	0,6	0,2
			0,10	0,7	0,8	2,0	0,7	0,3
			0,20	0,8	0,7	2,5	0,8	0,4
			0,30	0,9	0,6	3,0	0,9	0,5
			0,40	1,0	0,5	3,5	1,0	0,6
			0,50	1,1	0,4	4,0	1,1	0,7
Окончание табл. 12
№ вари-анта			атм	Содержание легирующих элементов, %
			0,40	1,2	0,3	4,5	1,2	0,8
			0,30	1,3	0,2	5,0	1,3	0,9
			0,20	1,4	0,1	5,5	1,4	1,0
			0,10	1,5	0,2	6,0	1,5	1,1
			0,01	1,6	0,3	6,5	1,6	1,2
			0,05	1,7	0,4	7,0	1,7	1,2
			0,15	1,8	0,5	7,5	1,8	1,1
			0,25	1,9	0,6	8,0	1,9	1,0
			0,35	2,0	0,7	8,5	2,0	0,9
			0,45	1,9	0,8	9,0	1,9	0,8
			0,55	1,8	0,9	9,5	1,8	0,7
			0,50	1,7	1,0	10,0	1,7	0,6
			0,03	1,6	1,1	9,0	1,6	0,5
			0,13	1,5	1,2	8,0	1,5	0,4
			0,27	1,4	1,3	7,0	1,4	0,3
			0,33	1,3	1,4	6,0	1,3	0,2
			0,01	1,2	1,5	5,0	1,2	0,1
			0,47	1,1	1,6	4,0	1,1	1,0

Контрольные вопросы:

1. Понятие растворимости газов в металле.

2. Закон Сивертса.

3. Факторы, влияющие на растворимость газов в металле.

4. Расчет растворимости газов в чистом металле.

5. Расчет растворимости газов в легированном расплаве.