12.3.5. Диффузия

В металлических расплавах имеет место диффузия.

Диффузией называется самопроизвольное перемещение атомов в пространстве.

Явление диффузии описывается законами Фика.

Первый закон Фика определяет поток вещества Ì в зависимости от градиента концентрации dС/dx.

Ì = -D dC/dх

Размерность коэффициента d, см²/с

Разные металлы имеют разный коэффициент диффузии. Для подавляющего

большинства металлов D = 1….5 • 10ˉ 5 см²/с

Элементы, которые образуют растворы внедрения, обладают значительно большим коэффициентом диффузии.

Чем меньше размер атомов, тем больше коэффициент диффузии. Например, коэффициенты диффузии азота и углерода в 10 раз больше, чем коэффициенты диффузии меди и железа, т.к. размеры атомов этих элементов очень малы.

Повышение температуры повышает коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии в жидких металлов в 1000 раз больше, чем в твёрдых, однако перемещение атомов в результате диффузии очень незначительно.

12.3.6. Конвекция.

Конвективный массоперенос определяется кинематической вязкостью расплава, температурой расплава (перепадом температур), ёмкостью ковша. Линейная скорость движения отдельных слоёв расплава в результате свободной конвекции может превышать

1 м/с.

В общем случае при плавке невозможно обеспечить необходимого выравнивания состава расплава только за счёт диффузии и конвекции. Поэтому при плавке всегда прибегают к механическому или электромагнитному перемешиванию расплава. Такое перемешивание совершенно необходимо перед разливкой.

12.3.7. Давление пара металлов и сплавов

Для оценки поведения металла при плавке большое значение имеет величина давления пара при температуре плавления, т.к. именно она определяет величину потерь в результате испарения.

В таблице 5 приведены значения давления паров некоторых металлов при температуре плавления, а также их температуры плавления и кипения.

Таблица 5. Давление паров металлов, температура плавления и кипения

Металл	t пл.,ºС	t кип, ºС	p пара при t пл, Па	Металл	t пл.,ºС	t кип, ºС	p пара при t пл, Па
Ртуть	-39	357	10−4	Марганец	1240	2100	133
Олово	232	2600	10−²1	Кремний	1420	3200	0,13
Кадмий	321	770	13,3	Никель	1455	2900	1,3
Свинец	327	1900	10−6	Железо	1539	2900	1,3
Цинк	419	910	13,3	Титан	1670	3100	1,3
Магний	650	1100	520	Цирконий	1850	4300	10−³
Алюминий	660	2500	10−6	Хром	1875	2500	1020
Кальций	840	1500	270	Молибден	2620	4600	1,3
Медь	1083	2500	0,13	Вольфрам	3400	5500	1,3

Металлы, имеющие давление пара при температуре плавления более 10 Па, называют легколетучими. К таким металлам относятся кадмий, цинк, магний, кальций, марганец и хром.

Давление пара сплава складывается из суммы парциальных давлений всех компонентов, входящих в его состав. Если сплав рассматривать как совершенный раствор, то парциальное давление пара любого компонента определяется законом Рауля: pi = piº Ni, где piº - давление пара чистого компонента; Ni – его атомная доля в сплаве. Если сплав нельзя считать совершенным раствором, то в данную формулу водят коэффициент активности γ данного компонента в сплаве. Тогда парциальное давление пара компонентов сплава будет выражаться

Pi = γi piº Ni, а давление пара сплава pcпл= Σ γi piº Ni.

Произведение γi Ni называется активностью компонента. Активность выражает кажущуюся концентрацию компонента в сплаве.

Коэффициент активности может быть больше или меньше единицы. Он отражает сложные явления взаимодействия атомов элементов в сплаве. В совершенном растворе γ = 1, и активность совпадает с концентрацией, выраженной в атомных долях или атомных процентах.

Компоненты, обладающие большим давлением пара, испаряются более интенсивно, т.е. угар его больше. Из-за этого расплав обедняется ими, поэтому приходится вводить в расплав дополнительное количество этих компонентов. Это дополнительное количество компонента (компенсация угара) определяется опытным путём.

В общем случае величина потерь металла при плаке зависит от площади поверхности расплава, температуры, величины упругости пара, атмосферы печи, активности элемента. Чем больше поверхность расплава, температура металла, величина активности элемента и упругости пара, тем больше потери металла. Испарение металла будет протекать более интенсивно, если атмосфера печи носит восстановительный характер. В окислительной атмосфере потери металла на испарение меньше потому, что образующийся слой окислов затрудняет процесс испарения. Сильно уменьшают испарение примеси, дающие на поверхности расплава прочные и плотные окисные плёнки, например, алюминий, бериллий, кремний и др. в бронзе, латунях и др. сплавах.

Температура, при которой давление пара достигает атмосферного, называется температурой кипения. При кипении парообразование происходит во всей массе расплава, испарение происходит наиболее интенсивно.

Потери металла в процессе плавки в результате испарения и окисления называются «угаром». Если компонент сплава имеет малую упругость пара, то он испаряется медленно, и его процентное содержание по отношению к основному компоненту при повторных переплавах будет повышаться (например, железо в алюминиевых сплавах).

На величину угара заметно влияет температура перегрева сплава и атмосфера печи. При повышении температуры сплава испарение происходит более интенсивно. Кроме того, при высоких температурах взаимодействие жидкого металла с атмосферой печи, со шлаками и флюсами, с футеровкой происходит более интенсивно, что также увеличивает потери металла.

12.3.8. УСАДКА СПЛАВОВ.

Различают объёмную и линейную усадку.

Объёмная усадка.

Δv =

ΔĻ=

Δv = 3ΔĻ

Наибольшей объёмной усадкой обладают сплавы с широким интервалом кристаллизации. Наименьшей – чистые металлы и эвтектические сплавы, а также сплавы, ОБРАЗУЮЩИЕ ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.

Чистые металлы и сплавы эвтектического типа, а также сплавы, образующие химические соединения, кристаллизуются с образованием концентрированной усадочной раковины. У сплавов с широким интервалом кристаллизации образуется рассеянная усадочная пористость. При этом, чем больше температурный интервал кристаллизации, тем более рассеянной образуется усадка и меньше концентрированная объёмная усадка, т.е. усадочная раковина.

В таблице 6 приведены значения объёмной усадки некоторых медных сплавов.

Таблица 6.