Диффузия в металлических расплавах - Структура и свойства металлических расплавов

Диффузия - это процесс самопроизвольного выравнивания концентрации веществ по всему объему системы.

Различают внешнюю диффузию, когда массоперенос идет в газовой фазе, и внутреннюю, при которой перемещение идет через слой твердой фазы, образовавшейся в результате реакции.

Движущей силой диффузии является градиент концентрации Dc dx, т. е. изменение концентрации диффундирующего вещества в соседних точках пространства; Dc dx - скалярная величина в направлении диффузии.

Явление диффузии описывается законами Фика.

Первый закон Фика: скорость диффузии VD, представляет собой массу вещества Dm, продиффундировавшего через поверхность S за время Dф:

где D - коэффициент диффузии, зависящий от природы диффундирующего вещества и температуры, см2/с.

Отсюда, при известной скорости VD, можно найти количество вещества, переносимого диффузией:

Отсюда следует, что скорость внешней диффузии зависит от градиента концентрации и температуры.

Перемешивание или турбулизация ускоряют диффузионные процессы.

От коэффициента диффузии, который корректируется в зависимости от среды, можно проследить влияние температура, например, для газов

где K - коэффициент пропорциональности; T - абсолютная температура; N - для газов 0,12-0,2.

При рассмотрении внутренней диффузии вместо D вводится DЭ - эффективный коэффициент диффузии:

где В - показатель пористости, определяемый как отношение суммарного объема пор к общему объему тела:

Следовательно, скорость внутренней диффузии зависит не только от градиента концентрации и температуры, но и от пористости твердого тела.

Очевидно, что по мере развития процесса и утолщения слоя, через который идет массоперенос, скорость диффузии снижается.

Различные металлы, растворенные в одной основе, имеют различные коэффициенты диффузии, но для большинства металлов они расположены в пределах (1 - 5) . 10-5 см2 /с, если температура расплава не превышает на 20 - 30є С температуру плавления.

Скорость диффузии зависит от типа соединения элемента с основой сплава в твердом состоянии. Коэффициенты диффузии компонентов, образующих с основой сплава растворы замещения, составляют около 10-8 см2/с, а компонентов, дающих растворы внедрения - 10-5 см2 /с и ниже.

Например, если в жидком железе никель и хром имеют коэффициент диффузии около5 . 10-5 см2 /с, то у азота и углерода коэффициент составляет около 5 . 10-4 см2 /с, а у водорода он имеет величину около 10-3 см2 /с. Это объясняется малыми размерами атомов этих элементов.

С повышением температуры жидкого сплава коэффициент диффузии возрастает приблизительно вдвое при перегреве на каждые 20 - 30О С, что выражается зависимостью:

где D0 - постоянная величина; Q - энергия активации; R - газовая постоянная; T - температура.

Расстояние, на которое смещается слой с заданной концентрацией X за время Ф можно определить из параболического закона диффузии:

Например, глубина взаимной диффузии металлов за 1 ч составит:

Таким образом, несмотря на то, что в жидких металлах коэффициент диффузии примерно в 1000 раз больше, чем в твердых, нельзя добиться усреднения химического состава сплава при плавке только за счет диффузионного массопереноса.

Кроме диффузионного, массопереносу в жидких сплавах способствует конвективное перемещение слоев в процессе плавки, скорость движения отдельных слоев расплава может достигать 1 м/с, однако и свободной конвекции недостаточно для выравнивания состава сплава.

Поэтому при плавке всегда прибегают к механическому или электромагнитному перемешиванию сплава.

Похожие статьи




Диффузия в металлических расплавах - Структура и свойства металлических расплавов

Предыдущая | Следующая