Вакуумная металлургия

Все остальные факторы подгоняются к условиям, при которых скорость передачи тепловой энергии обеспечивает тепло, необходимое для испаре­ ния. Обычно передача тепла осуществляется теплопроводностью из глу­ бины жидкой ванны, вследствие чего возникает большой перепад темпера­ туры по направлению к поверхности, который равен

Кроме того, необходимо принимать во внимание образование на испаряющей поверхности пленки, которая может тормозить процесс испарения. Пленки состоят из инородных примесей или образуются из отделяемого металла. Они могут образовываться за счет преждевремен­ ной конденсации пара. При быстром испарении пар, покидающий поверх­ ность, только частично является насыщенным при данной температуре поверхности. Но при перемещении его в зону более низких температур он становится более насыщенным. Если конденсация возникает при тем­ пературе ниже точки плавления, то конденсирующаяся фаза в виде мел­ кого порошка оседает на поверхность и образует рыхлую пленку с низкой теплопроводностью, которая с трудом абсорбируется жидкостью.

Возможно также образование поверхностной пленки и из жидкой фазы, когда менее летучий компонент имеет более высокую температуру плавления. Например, при дистилляции цинка из алюминия поверх­ ность может становиться настолько обедненной цинком, что ее состав приближается к составу жидкости. В этом случае на поверхности будет кристаллизоваться тонкий слой твердой фазы.

При наблюдении за испаряющей поверхностью можно заметить, как время от времени поверхность покрывается пленками или темными пятнами, а затем она снова становится спокойной и чистой. При образо­ вании пленки на поверхности скорость испарения уменьшается, происхо­ дит повышение температуры до величины, когда пленка десорбируется, и процесс испарения возобновляется.

Избирательная дистилляция

Поскольку-целью дистилляции является отделение одного металла от другого, уместно рассмотреть избирательность процессов испарения и факторы, влияющие на нее. Уже обсуждались два важнейших фактора, управляющих избирательностью: соответствующие давления пара и молярные доли компонентов в остаточном металле. Влияние этих факто­ ров учитывается уравнением, которое выведено в предположении, что парциальные давления паров над металлическими расплавами подчиня­ ются закону Рауля. Это почти верно для такой пары металлов, как свинец и олово, имеющих аналогичные свойства. При повышении температуры дистилляции согласие с законом Рауля обычно улучшается. Однако если металлы не склонны к смешиваемости, то парциальные давления имеют положительные отклонения от закона Рауля, т. е. они имеют большую величину, чем это следует из уравнения (5). С другой стороны, если метал­ лы склонны к образованию интерметаллических соединений при взаимном уменьшении их активности и смешиваемости, то давления паров имеют отрицательные отклонения от закона Рауля. Природа отклонений иллю­ стрируется на различных парах металлов данными табл. 3. Если моляр­ ное соотношение между металлическими компонентами возрастает, то увеличивается и степень отклонения от закона Рауля.

Таблица 3

Активности бинарных металлических смесей (отклонения от закона Рауля)

Четвертым весьма важным фактором, управляющим избиратель­ ностью испарения, является скорость диффузии испаряющегося металла из объема к поверхности. При быстрой дистилляции летучего компонента его количество в поверхностном слое уменьшается и устанавливается градиент его концентрации из глубины к поверхности. Соотношение между скоростью диффузии и градиентом концентрации выражается законом Фика

где J — количество компонента, диффундирующего через единицу пло­ щади в единицу времени; с — концентрация диффундирующего компо­ нента ; х — расстояние в направлении диффузии; D — коэффициент диффузии.

Градиент концентрации компонента спонтанно устанавливается в зависимости от равновесия между скоростями диффузии и испарения Другими словами, градиент концентрации пропорционален действитель­ ной скорости испарения. Когда испаряющийся металл имеет низкий коэффициент диффузии и расплав значительно обеднен этим компонентом, тогда концентрация этого металла на испаряющей поверхности может оказаться настолько малой, что испаряющиеся с поверхности металлы будут находиться в тех же соотношениях, как и в остаточном металле

Влияние соответствующих факторов на состав пара при дистилляции может быть проиллюстрировано данными опытов, представленными в табл. 4. Сравнение проведено для 4 металлов (Cd, Zn, Mg и Те) при их дистилляции из жидкого свинца. Можно заметить, что во всех четырех случаях в конденсате содержится больше свинца, чем это следовало бы по уравнению (5). Кадмий и цинк имеют положительные отклонения актив­ ности от закона Рауля. Если не принимать во внимание влияние диф­ фузии, то опытные результаты были бы меньше расчетных данных. По­ этому очевидно, что при определении избирательности диффузия играет более важную роль, чем отклонения от закона Рауля.

Поскольку и магний и теллур склонны к образованию соединений со свинцом, можно было бы ожидать отрицательных отклонений от закона Рауля. Расчетные и экспериментальные данные качественно согла,- суются между собой. При отгонке магния фактор диффузии имеет меньшее значение, поскольку магний, обладающий малым атомным весом, диффун­ дирует значительно быстрее остальных трех металлов. Теллур имеет более низкую скорость диффузии, низкую активность в свинце, поэтому не уди­ вительно, что он не отгоняется, несмотря на то, что в этом опыте была проведена более полная дистилляция, чем в других.

Из этих наблюдений можно заключить, что замедление диффузии испаряемого металла означает ограничение степени отгонки одного металла от другого. Дистилляция при разделении металлов с различной упругостью пара эффективна тогда, когда более летучий металл присут­ ствует в большем или равном количестве, но при снижении его концентра­ ции в расплаве уменьшается его активность и скорость диффузии до такой степени, что дальнейшая отгонка путем раздельной дистилляции стано­ вится невозможной. Дальнейшая отгонка должна проводиться раздельной конденсацией пара в нагретых частях конденсатора, что приводит к обогащению пара более летучим компонентом. Первая фракция направля­ ется на повторную дистилляцию, а фракции, содержащие бблыную долю летучего компонента, собираются в холодных и более удаленных частях конденсатора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Появление оборудования и техники для вакуумирования больших объемов предоставило возможность раздельной дистилляции металлов, имеющих равную или несколько бблыную упругость паров по сравнению с чистым свинцом.

Вакуумирование позволяет осуществлять быструю диффузию пара от поверхности и предотвратить взаимодействие его с газами, находящи­ мися в атмосфере. Если давление в системе уменьшено до нескольких

десятых долей миллиметра ртутного столба, то дистилляция идет с удов­ летворительной скоростью при тех температурах, когда парциальное давление паров превышает 10-3 атм.

В первую очередь скорость дистилляции завиеит от скорости подвода тепла к испаряющей поверхности. Эта энергия рассеивается переносом пара от дистиллятора к конденсатору. Температура испаряющей поверх­ ности и давление пара возрастают до тех пор, пока восполнение и потери энергии не придут в равновесие.

Сам дистиллятор работает в качестве диффузионного насоса и удаляет присутствующий газ из области над испаряющей поверхностью. Поэтому фактическое давление газа в системе значительно меньше того, которое показывает вакуумметр.

Избирательность дистилляции зависит от относительной летучести, молярного соотношения компонентов, химической активности каждого компонента, скорости диффузии наиболее летучего составляющего. Эти факторы создают известные ограничения, вне которых невозможно прак­ тически проводить дистилляцию металла, более летучего, чем чистый металл. Дальнейшее разделение может быть проведено с помощью раздель­ ной конденсации.

ЛИТЫЕ И ДЕФОРМИРУЕМЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ

М. Ц е с л и ц к и й

Несмотря на широкое понятие, вложенное в содержание заголовка настоящей работы, главное внимание в ней будет уделено лишь некото­ рым сплавам. Кроме того, мы ограничимся сплавами, выплавленными лишь в вакуумных индукционных печах. Поскольку этот процесс плавки по отношению к плавке стали и сплавов в обычных условиях несколько нов и поскольку вес таких плавок незначителен, открываются широкие

возможности для интенсивных усилий в изучении этого процесса. Прежде чем подвергнуть обсуждению характеристики отдельных сплавов, следует остановиться на некоторых общих результатах исследований.

Удобным методом отображения этих результатов являются кривые вероятности. Координаты выбраны так, что кривая распределения Гаусса является прямой линией. Отклонения от прямой вызывают ее кривизну или несимметричность. Для удобства на одной из координатных осей откладывают «процент значений ниже данных», т. е. отклонения (в сто­ рону уменьшения) от величин, указанных на оси ординат, а на другой — изучаемые свойства или характеристики.

На фиг. 1 представлена подобная кривая. Среднее значение предела прочности в этом случае составляет 105 кг/мм2, и отвечает значению 50% на оси абсцисс. При 2,5% уровень отклонения будет отнесен к значе­ нию 87,5 кг/мм2.

При таком методе изучений процесса легко видеть, какие необходимо принять меры для достижения определенных результатов. Если, например, систематическое изучение параметров показывает, что разброс свойств (наклон кривой) практически минимальный, то среднее значение данной характеристики необходимо увеличить, чтобы удовлетворить предъявляемым требованиям. С этой точки зрения наклон кривых может быть вызван изме­ нением химического состава, фазовыми превращениями, ковкой или термо­ обработкой. Одновременно заметим, что ухудшение свойств материала никогда не достигает абсолютного минимума, однако для практических целей эти свойства могут оказаться минимально допустимыми.

Необходимо всегда помнить, что кривые являются точным отобра­ жением явлений. Однако они не могут заменить собою действительной природы явлений. Параметры, которые изменяются в направлении при­ ближения к определенному состоянию, зависят от физических, но не математических факторов, и применение некоторых частных представлений не является общим изменением необходимых свойств для заданных параметров. Известно, например, что предел текучести зависит от многих факторов, влияние которых должно быть изучено, особенно таких, как цикл рафинирования, составление шихты, механическая обработка и методика проведения эксперимента.

В работе по исследованию свойств жаропрочных материалов механи­ ческие испытания являются чрезвычайно грубыми, а результаты — прибли­ женными. Большинство жаропрочных материалов весьма чувствительно к всевозможным изменениям в проведении опыта. Здесь хотелось бы под­ черкнуть некоторые недостатки механических испытаний жаропрочных материалов, которыми часто пренебрегают.

Одним из основных недостатков является отсутствие стандартов на методику измерений температур с помощью оптической пирометрии. В большинстве случаев исследовательские лаборатории уходили от этой проблемы, пугаясь ее сложности. Поэтому в тех случаях, когда применялись пирометры, точности измерений не придавалось существен­ ного значения.

В промышленной практике точность измерения температуры данным методом является удовлетворительной и достигается весьма несложными приемами.

Однако для исследовательских целей такая точность является недо­ статочной. Некоторые лаборатории нашли также, что в настоящее время нет достаточно точных приспособлений для контроля нагрузки образцов при проведении опытов на растяжение или ползучесть. Большинство современных испытательных машин нагружают образец посредством рычажного механизма через опорную призму, однако вследствие несо­ ответствия веса и плеча рычага передаваемые на образец нагрузки будут различными. На точности нагрузки образца сказывается также состояние самой машины, место ее установки, особенно там, где машина подвергается вибрации.

Необходимо также кратко остановиться на технологии изготовле­ ния разрывных образцов для механических испытаний. При обточке разрывных образцов на токарном станке с помощью резца или при обработке шлифовальным кругом на поверхности образца возникают напряжения. Величина этих напряжений зависит от многих фак­ торов, например типа абразивного круга, состава охлаждающей жидкости, глубины резания или шлифования и величины попе­ речной подачи. На фиг. 2 представлена кривая зависимости величины напряжений, возникающих вблизи поверхности, от скорости шли­ фования.

кованых турбинных лопаток. С другой стороны, он так же успешно при­ меняется для изготовления лопаток методом точного литья. Таким обра­ зом, исследуя один сплав, можно было получить данные для сравнения свойств литого и деформируемого металла. Представление о трудностях выплавки данного сплава можно получить из его химического состава

(табл. 1).

Таблица 1

Химический состав сплава юдимет-500

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЛАВА ЮДИМЕТ-500

Будучи сплавом на никелевой основе, сплав юдимет-500 имеет доволь­ но небольшую плотность, составляющую 7,9 г/см3.

Средние значения коэффициента линейного расширения представлены в табл. 2.

ю6

2,8

2,/0

«Г 2,03 з‘ 1,36 | 1,83

£ U8Z

I,’75

J№

Температура, '‘С

Ф и г. 3. Зависимость модуля упругости от температуры.

Для измерения модуля Юнга был использован резонансно-частотный метод. Величина модуля составляет 2,17 • 10е кг/см2 при температуре 20° и 1,417 • 10е кг/см* — при 980°. Кривая зависимости модуля упругости от температуры представлена на фиг. 3.

вающие те или иные отклонения. На фиг. 5 представлен ряд кривых: а — кривая по данным лаборатории А, б — по данным лаборатории В, полученным при испытании металла той же партии слитков, что и а, и прокатанных на пруток; кривая в построена по данным лаборатории В, причем образцы получали из кованых вручную проб от каждой плавки. Естественно предположить, что различие в расположении кривых б и в вызвано либо понижением прочности катаных прутков, либо использова­ нием худшего качества металла в слитке, нежели в пробе. Представляет

Фиг . 5. Предел прочности при растяжении образцов из сплава юдимет-500 при температуре 645°.

интерес сравнение данных двух лабораторий. Кривая а, полученная при испытании металла первых плавок, показывает более высокий предел прочности, чем кривые б и в, но отличается худшей воспроизводимостью результатов. Необходимо, однако, отметить, что лаборатория А не при­ держивается этой точки зрения. Различие в уменьшении поперечного сужения при растяжении в соответствии с кривыми а и б составляет около 30% с пределом отклонения, равным 1%.

На фиг. 6 представлены две кривые длительной прочности, данные которых носят разноречивый характер. Где скрывается ошибка — в проведении ли опыта или в неоднородности материала, — установить по этим кривым невозможно. При времени до разрыва 25 час., температуре 895° и напряжении 17,5 ке/ммг около 15% материала, по данным лабо­ ратории А, является неудовлетворительным, в то время как по данным лаборатории Б эта величина составляет лишь 1%. Однако поставщики сплава, естественно, будут утверждать, что кривая а является ошибочной.

Не входя в детали рассмотрения кривых, полученных в исследованиях, связанных с разработкой и улучшением этого сплава, следует указать, однако, что все данные, характеризующие свойства сплава, подвергались систематическому изучению. Исследовались размеры слитков, вес плавки, ее химический состав, изготовление образцов и методика проведения опы­ тов. Эксперимент показал, что 10 образцов, изготовленных из 3 параллель­ ных плавок, дают сходимость результатов. Хорошая сходимость резуль­ татов получалась также на 30 образцах, изготовленных из 3—4 парал­ лельных плавок. Такая сходимость результатов не является случайной.