Давление пара металлов - Структура и свойства металлических расплавов

Как и все вещества, металлы обладают конечным значением давления собственного пара, хотя весьма незначительным. С этим свойством приходится считаться при приготовлении сплавов из компонентов с очень различными давлениями пара и, особенно при плавке в вакууме.

Давление пара металлов Р определяется температурой и приблизительно выражается уравнением Lg p A T B = + . Повышение температуры вызывает непрерывное возрастание давления пара металла. При плавлении не наблюдается скачка на кривой Р = (f)T, меняется лишь ее наклон.

Давление пара сплава складывается из суммы парциальных давлений компонентов и примесей, входящих в состав сплава. Если сплав рассматривать как совершенный раствор, то парциальное давление пара какого-либо компонента или примеси PХ определяется законом Рауля:. Здесь P0Х - давление пара чистого компонента, NX - его атомная доля в сплаве. При отклонении поведения жидкого сплава от закона Рауля в форму воодится коэффициент активности Гx , который может быть меньше или больше единицы. Для совершенных растворов Г=1.

В табл. 1.4 приведены данные о давлении паров некоторых металлов при температуре плавления, а также температуры плавления и кипения. Как известно, температурой кипения является температура, при которой давление пара вещества достигает величины 0,101 МПа = 1 атм = 760 мм рт. ст. Из та - блицы видно, что температура кипения металла никак не связана с его температурой плавления. Легкоплавкое олово кипит при 2600О С, а более тугоплавкий цинк имеет температуру кипения всего 905О С. Точно как же марганец, плавящийся при 1240О С, обладает температурой кипения в 2100О С, а медь с точкой плавления 1083О С кипит при 2500О С.

Для оценки поведения металла при плавке большее значение, чем температура кипения, имеет величина давления пара при температуре плавления, так как именно это свойство предопределяет, например, величину потерь за счет испарения (табл. 4). К металлам, у которых давление пара при температуре плавления составляет 13,3 Па (0,1 мм рт. ст.) и более (цинк, магний, кальций, марганец, хром). Их называют легколетучими.

Для оценки поведения металла при плавке большее значение, чем температура кипения, имеет величина давления пара при температуре плавления, так как именно это свойство предопределяет, например, величину потерь за счет испарения (табл. 1.4). К металлам, у которых давление пара при температуре плавления составляет 13,3 Па (0,1 мм рт. ст.) и более (цинк, магний, кальций, марганец, хром). Их называют легколетучими.

Величина давления пара приобретает решающее значение в условиях, когда плавка ведется в вакууме, при остаточном давлении газов над расплавом менее 0,13-0,013 Па (10-3 - 10-4 мм рт. ст.). В этих условиях меняется характер движения частиц в газовой фазе. При больших давлениях частицы в этой фазе имеют очень малую величину свободного пробега, расстояния между двумя последовательными столкновениями не превышают долей миллиметра и скорость испарения невелика, поскольку значительная доля вырвавшихся из жидкости частиц из-за частых столкновений возвращается обратно. При давлении над расплавом менее 0,13 Па уходящие из жидкости частицы свободно перемещаются в пространстве, заполненном разреженным газом, двигаясь по прямым траекториям вплоть до стенки печи. Поэтому испарение указанных легколетучих металлов в вакууме делается столь интенсивным, что плавка становится невозможной.

В вакууме процесс испарения может быть описан формулой Ленгмюра, выведенной на основе закона молекулярно-кинетической теории газов:

где M - масса испарившегося металла г/моль за время Ф с площади S при температуре расплава T єС;

R - газовая постоянная; P0A - давление пара металла при температуре T; A - атомная масса металла. В большинстве случаев пары металлов, подобно инертным газам, одноатомны, именно поэтому одноатомную массу обозначают A. Некоторые элементы при испарении образуют двух-, трех-, четырехатомные комплексы. Тогда у A подставляют соответствующий коэффициент, больший единице.

В том случае, если рассматривается испарение металла в вакууме из жидкой ванны, представляющей собою раствор, в котором атомная доля данного металла составляет NA, формула Ленгмюра приобретает следующий вид:

Поскольку испарение данного металла A идет из раствора, учитывается парциальное давление пара этого металла, равное произведению давления пара чистого металла P0A на его атомную долю в сплаве NA и на коэффициент активности ГА. Кроме того, в формулу входит уже не просто масса испарившегося металла, а скорость испарения, выраженная как Dm dф. Это объясняется тем, что основа сплава и рассматриваемый металл обладают разными атомными массами и разными давлениями пара. Поэтому они будут испаряться по-разному, и содержание рассматриваемого металла в расплаве начнет сразу изменяться. Только в самый первый момент процесса испарения величина NA известна точно - это концентрация металла в исходном сплаве.

Похожие статьи




Давление пара металлов - Структура и свойства металлических расплавов

Предыдущая | Следующая