Растворимость углерода в железе

На диаграмме состояния системы Fe-C зависимость растворимости углерода в железе от температуры описывается линией ликвидус в области заэвтек-тических сплавов (C'D'). При температурах 1153 – 2100^оС растворимость углерода составляет 4,26 – 7,0%. Зависимость растворимости углерода в железе от температуры можно описать уравнением

где [C]_max – растворимость углерода в жидком железе, %.

Согласно уравнению (9.1) при 1600^оС растворимость углерода в железе составляет 5,75%.

Исходя из уравнения (9.1) для реакции

Из уравнения (9.3) видно, что растворение углерода в железе является слабой эндотермической реакцией.

Определение растворимости углерода в железе приведенным выше методом нельзя признать надежным, т.к. очень трудно зафиксировать в твердой пробе все количество углерода, содержащегося в жидком металле. Более надежным способом определения термодинамических параметров реакции (9.2) является комбинирование хорошо изученных реакций газификации графита и растворенного в металле углерода

Если предполагать, что реакция (9.6) протекает в прямом направлении, а реакция (9.4) – в обратном, результат последовательного протекания обеих реакций будет описываться уравнением (9.2), для которого

Теплоты растворения углерода в жидком железе, найденные различными способами, несколько различаются. Но, качественно они хорошо согласуются и свидетельствуют о том, что реакция (9.2) является слабой эндотермической реакцией.

Влияние третьих элементов на величину растворимости углерода в железе может быть охарактеризовано при помощи рисунка 9.1. В присутствии карбидообразующих элементов (Mn, Cr, V, Nb) растворимость углерода в железе увеличивается. При наличии в расплаве примесей, которые образуют химические соединения с жидким железом (Si, P, Al, S, Ni) – уменьшается. Поэтому в чугунах и ферросплавах содержание углерода существенно различается, даже если в процессе их производства происходит насыщение металла углеродом. Так, содержание углерода составляет: в высокоуглеродистом ферромарганце и феррохроме – более 6,5%; в обычном передельном чугуне – 4,2 – 4,5%; в высокофосфористом чугуне ~ 3,6%; в 10% ферросилиции ~ 2%. Зависимость растворимости углерода в железе от температуры и содержания других примесей свидетельствует о том, что раствор углерода в железе не является идеальным.

Рисунок 9.1 – Влияние компонентов расплава на растворимость углерода в сплавах железа при 1600^оС

Если в качестве стандартного состояния при описании термодинамических свойств раствора принять однопроцентный раствор, подчиняющийся закону Генри, характер зависимости величины коэффициента активности углерода от концентрации его в расплаве будет соответствовать показанному на рисунке 9.2. Из рисунка видно, что большие значения коэффициента активности углерода в жидком железе наблюдаются в области высоких его концентраций, близких к насыщению. При низких и средних концентрациях углерода ([C] < 1%) величина коэффициента его активности близка к единице. Поэтому при анализе реакций окислительного рафинирования применительно к условиям доводки плавки в сталеплавильных агрегатах активность растворенного в металле углерода с достаточной для практических целей точностью можно заменить его концентрацией. Такая замена наиболее оправдана, когда углерод в окислительном периоде рафинирования является единственной примесью и его концентрация не превышает 1%.

Рисунок 9.2 – Зависимость величины коэффициента активности углерода в жидком железе от концентрации углерода при 1600^оС

В качестве возможных форм существования углерода в металле в научно-технической литературе указывают ион C⁴⁺, группировки атомов типа Fe_nC (Fe₃C), графит.

На свойства готовой стали большое влияние оказывает растворимость углерода в твердом железе, которая существенно меняется в зависимости от модификации железа и температуры. Растворимость углерода в  -Fe при 1130^оС составляет около 2%, в a-Fe при 723^оС – 0,03 – 0,04%, в a-Fe при комнатной температуре – менее 0,01%. Таким образом, практически все количество растворенного в жидком металле углерода в процессе затвердевания и охлаждения до комнатных температур выделяется из пересыщенного раствора в виде графита или цементита.