» » Испарение и кипение металлов при плавке
22.04.2015

Испарение металлов проходит совершенно различно в зависимости от общего давления в парогазовой фазе над расплавом. Общее давление в парогазовой фазе определяет длину свободного пробега частиц. Если общее давление велико, величина свободного пробега весьма мала и составляет, например, при 10в5 Па не более 10в-4 см. В этих условиях количество испарившегося металла M выражается эмпирическим законом Дальтона:
Испарение и кипение металлов при плавке

где S — площадь свободной поверхности расплава, с которой идет испарение; р° — равновесное давление пара металла при данной температуре; р' — действительное давление пара данного металла над расплавом; робщ — общее давление в парогазовой фазе над расплавом; т — время; k — коэффициент пропорциональности.
Величину р' нельзя определить заранее, она зависит от формы сосуда, где находится металл, скорости движения газов над расплавом и других обстоятельств. Практически р' определяют опытным путем. Если р'≤р°, идет испарение металла; если р'≥р°, наблюдается обратное явление — конденсация паров.
Приведенная формула Дальтона хорошо показывает влияние общего давления в парогазовой фазе на процесс испарения. Как видно из формулы, чем оно больше, тем меньше количество испарившегося металла. Поэтому путем введения над расплавом какого-либо инертного для металла газа удается существенно замедлить процесс испарения, хотя величина парциального давления паров самого металла от этого не меняется. Она, как известно, определяется только температурой. Если рассматривается испарение какого-либо одного компонента X из жидкого сплава, в формулу Дальтона необходимо вместо р°х подставлять p°xNх, где Nx — атомная доля данного компонента в сплаве.
При понижении общего давления над расплавом длина свободного пробега частиц в газовой фазе соответственно увеличивается и, когда эта длина делается соизмеримой с размерами сосуда, где происходит испарение, процесс коренным образом меняется. При условии если стенки сосуда холодные, так что почти все долетевшие до них газовые частицы закрепляются на них и не возвращаются в газовую фазу, оказывается возможным рассчитать количество испарившегося металла. Переход к новым закономерностям испарения наблюдается при общем давлении не более 0,133 Па, т. е. при достаточно глубоком разрежении. Поэтому этот процесс называют испарением в вакууме. Он описывается формулой Ленгмюра:
Испарение и кипение металлов при плавке

где M — масса испарившегося металла за время т с площади S при температуре расплава Т; R — газовая постоянная; р°А — давление пара металла при температуре T, А — атомная масса металла. В большинстве случаев пары металлов подобно инертным газам одноатомны.
В том случае, если рассматривается испарение металла А в вакууме из жидкого сплава, в котором атомная доля данного металла составляет NА, формула Ленгмюра приобретает такой вид:
Испарение и кипение металлов при плавке

Поскольку испарение данного металла А идет из раствора, учитывается парциальное давление пара этого металла, равное произведению давления пара чистого металла P°А на его атомную долю в сплаве NА и на коэффициент активности γА. Кроме того, в формулу входит уже не просто масса испарившегося металла, а скорость испарения, выраженная как dm/dт. Это объясняется тем, что основа сплава и рассматриваемый металл обладают разными атомными массами и разными давлениями пара. Поэтому они будут испаряться по-разному. В результате содержание рассматриваемого металла в расплаве начнет сразу изменяться. Только в самый первый момент процесса испарения величина NА известна точно — это концентрация металла в исходном сплаве.
Надо отметить, что практическую значимость для плавки испарение приобретает лишь в том случае, если рассматриваемый металл, обладает при заданной температуре достаточно большим давлением пара. Когда испарение идет в среде других газов при общем давлении более 1330 Па, с этим явлением приходится считаться, если равновесное давление пара металла составляет более 100—200 Па. Для случая испарения в вакууме при остаточном общем давлении менее 0,133 Па процесс приобретает практическую значимость для приготовления сплавов, если равновесное давление паров металлов превышает 13 Па. Именно поэтому названы легколетучими цинк, магний, кальций, марганец и хром.
С кипением чистых металлов при плавке в литейном производстве встречаются редко. Однако это явление наблюдается при работе со сплавами, в состав которых входят легколетучие компоненты. Явление кипения сплавов можно рассмотреть по схеме на рис. 3. На этом рисунке изображена диаграмма состояния системы В металлов А и В, образующих непрерывные твердые и жидкие растворы. Кроме обычных областей твердого, жидкого и твердо-жидкого состояний, здесь указана и область газообразного состояния, лежащая при высоких температурах. Диаграмма соответствует равновесиям при давлении 10в5 Па. Следовательно, точки tкипА и tкипВ являются обычными температурами кипения этих чистых металлов, выше которых металлы находятся в газообразном состоянии. На диаграмме имеется область двухфазного состояния жидкость — газ. Линия tплА — t2 — tплВ показывает температуру конца плавления сплавов. Линия — t3 — изображает температуру начала кипения сплавов.
Испарение и кипение металлов при плавке

Взаимное положение этих линий определяет область существования сплавов в жидком состоянии. Например, сплав 1 начнет плавиться при полностью станет жидким при t2, начнет кипеть при t3, станет полностью газообразным выше t1. На рис. 3 видно, что температурная область жидкого состояния наиболее узка в средней части диаграммы. Как видно, температура начала кипения сплава 1, равная t3, немного ниже температуры плавления чистого компонента А. Такое расположение линий конца плавления и начала кипения вызвано тем, что компонент В значительно более легкоплавок, чем компонент А, и, кроме того, температура кипения чистого компонента В ниже температуры плавления чистого компонента А, а температура кипения чистого компонента А весьма высока. При таких условиях оказывается, что сплавы, лежащие в средней части диаграммы, обладают температурой начала кипения, очень близкой к температуре конца плавления. Поэтому обычные при приготовлении сплавов перегревы могут привести к закипанию расплава. По рис. 3 можно объяснить также явление временного вскипания расплава при вводе легкоплавкого и легколетучего компонента в жидкий труднолетучий. Например, если в чистый жидкий металл А ввести твердый металл В, то последний начнет не только плавиться, но и может вскипеть, так как tкипB≤tплА. вскипание будет кратковременным, так как идущее одновременно растворение В в А приведет к образованию сплавов, температура начала кипения которых существенно выше С подобными явлениями практически приходится встречаться при плавке латуней (сплавов меди с цинком).
В системе медь — цинк сплавы обладают следующими температурами конца плавления (температуры ликвидуса) и температурами начала кипения:
Испарение и кипение металлов при плавке

Самой малой разницей между температурами конца плавления и начала кипения обладают сплавы, содержащие 40—46 % Zn. Эта разница не превышает у них 120 °С. Следовательно, при перегреве всего на 120—130 °C эти сплавы начинают кипеть, если плавка ведется при давлении 10в5 Па. Введение в жидкую медь цинка всегда сопровождается вскипанием этого металла, так как tкип Zn = 905 °C, а жидкую медь при плавке держат при 1150— 1200 С. Такое же явление происходит при введении в жидкую медь и ее сплавы магния (tкип = 1100 °С), кадмия = 760 °С), фосфора (tкип = 280 °С). Введение магния в расплавленный чугун (с целью модифицирования и получения шаровидной формы графита) сопровождается бурным процессом кипения этого металла, так как расплав имеет температуру не менее 1300 °C, а магний, имеющий tкип = 1100°C, практически нерастворим в этом расплаве.