Мармер, Мурованная, Васильев – Электропечи для термовакуумных процессов (1991) (1074336), страница 7
Текст из файла (страница 7)
го соедянппш металла с газом Сравнивая полученное по расчету время образования монослоя хнмичеасого соединения со временем охлаждения печи, узнаем необхо. димов парциальное давление активного газа (требования к конструкции печи с целью обеспечения необходимой скорости охлаждения). Обобэиелпал зависимость массоукоса металлов.
Общая скорость мвссоуноса Д может быть подсчитана сложением скоростн испарения металла ье и скорости испарения его твердого раствора или химического соединения Сэ (1.11) Более нагляшэо изменение массы нагреваемого металла в присутствии активных газов можно представить графически в виде зависимости скоростей массоуноса нли взаимодействия от температуры (рис. 1.8). На рисунке представлены дае схемы, позволяющие оценивать поведение металлов и нх химических соединений, образующихсл при взаимодействии с разреженными газами. '::-,1впщя 1 показывают температурную зависимость скорости испаре'-'ьн: металла.
Линии 2-4 характеризуют унос массы металла за счет ;:1й)иаодействия его с газом при определенном давлении, например р„. ))йнпя Я показывает количеспю активного газа, сталкивающегося с "'-',ьйицей поверхности металла в едюпщу времени (1.2). Линия 2 да~ожность оценить, какое количество столкнувшегося с поверх- 1"йьгью газа вступает в химическую реакцию (1з), а линия 4 дает й1)йьщжность по (1.8) подсчитать максимальный массоунос металла, ;-(й~йгрд".аляемый через его летучее химическое соединение. ;"-;:,(удя простоты на рис.
1.8 представлены значения скоростей массоьтй1(яэь при й, .= сопят, хотя обычно этот коэффициент имеет сложную ;))1йтпратуРную зависимость. Для большинства металлов при макси:"8ффйпях температурах применения коэффициент близок к единице ~'.--"~фавнительно мало меняется в широком интервале высоких тем')~~~фур. При низких температурах наблюдается резкое уменьшение ~фйп, коэффициента, значение которого определяется зксперимен-':;,28)я другого парциального давления активного газа, например р„ (ййй)льэуются аналогичные зависимости — линии 5- 7.
!:.~ФМпературная зависимость скорости испарения химического соедий)анп~ образовавшегося в результате взаимодействия газа с метал1811й:;;Представлена линией 8. -'-: )~ь~ьйыное расположение линий 1 и 8 определяет и условия массо~~~ц$.,различных металлов в вакууме. Если химические соедянения ~(()гада твердые растворы) испаряются при более низкий темпераэуйц(1,: чем рассматриваемьй металл, то массоунос последнего опредеН1($~Й продуктами его взаимодействия (рис. 1.8, а).
К числу таких ь1ж((и(Юний относятся ингриды и оксиды металлов Ча подгруппы, 'Ч(й)йГ1)( хрома, оксид молибдена, оксид и карбид вольфрама. Позто- ~;:,:'~я: технологических процессов, режимы нагрева которых соотМьв1)уют области, расположенной левее линии 8 (рис. 1.8), всегда "наблюдаться светлая поверхносп . Для режимов„соответствующих (~)йртп. расположенной правее линии В, состояние поверхности будет ~$ч1йпь от растворимости газа в металле и времени образования хи...,,)ве.11а~ого соединения. же химические соединения и твердые растворы испаряются 1бц(=,:Фалес высоких температурах, чем металл, то массоунос определя- ~~~~::;Мрпарением самого металла, а образующиеся на поверхности твер. ..„,„, фМтворы и химические соединения могут только снижать ско.,„, "его испарения (рис. 1.8, 6). По этой схеме следует рассматрн1а1щ,"': Все соещщения металлов 1Ча подгруппы, карбиды металлов ~~(йоДгруппы, карбид и окснд хрома, карбид молибдена.
;;.~~щйаботанные схемы взаимодействия металлов с разреженными )нэаапГ дают возможносп прогнозировать массоунос различных мерз,.цв. Обобщенная температурная зависимость массоуноса является 37 теоретической предпосылкой для расчетов срока службы нагревате.
лей и теплоизоляции, работающих в вакууме. Кроме того, зтн схемы дают возможность прогнозировать состоя ние поверхности металлов после нагрева их в вакууме, что является предпосылкой для выбора парциальных делений активных газов. Подробнее рассматривая рис. 1.8, а, можно представить процесс взаимодействия при Т~ ~ Тз и р, > рз следующим образом. При постоянной высокой температуре, например Тю скорость массоуно. са будет определяться в основном скоростью испарения металла, Скорость массоуноса металла через химическое соединение, например при давлении р~, будет значительно ниже — точка пересечения линни б с Т, . Снижение давления, например, до рз, не будет сказываться на скорости массоуноса.
Прн более низкой температуре, например Тз, скорость массоуноса определяется испарением образовавшегося химическою соедннения и зависит от давления активного газа. Поверхносп металла в этом случае будет чистая, так как скорость испарения химического соединения намного выше (точка пересечения линии 8 с Тз). Испарением металла в этом случае можно пренебречь. Время образования монослоя химического соединения может быть подсчитано по ранее приведенным формулам (1.9, 1.10). Однако в некоторых случаях скорость испарения образовавшегося твердого раствора будет превышать скорость испарения металла, а массоунос будет весьма существенным без образования на поверхности химн.
ческого соединения. К тасям системам можно отнести "ниобий- кислород", "тантал-кислород" (подробнее см. ниже). Поэтому для таких металлов следует рассчитывать допустимые концентрации твердого раствора на поверхности. ПРи постоЯнном давлении и соответственно пРи ое = сонат газ растворяется в металле и при достижении предела растворимости образует на поверхности химическое соединение. С повышением тем. пературы химическое соединение будет испаряться, т. е. будет осуше.
ствляться массоунос металла. При температурах более высоких, чем температура, озответствуюшая точке пересечения линий 3 и 1, массо. унос определяется уже скоростью испарения металла. 1.7. Взаимодействие разреженных газов е часто приманнемыми металламн Рассмотрим экспериментальные работы, характеризующие кинетику взаимодействия металлов с газами как в условиях высокого вакуума, так и при более высоких давлениях, вплоть до атмосфер ного (для некоторых случаев).
Медь, серебро. С повышением температуры на меди образуется лег ко отслаивающаяся оксидная пленка. а поверхность серебра остаетсз За "; йьплпчл 1.16. Заввслмоста предела растворвмоств, %, алемевтов ввелрепал в металлах туа вод руппм от отпосвтельпмх темлетпттр Зпемепа тобе!Гпл впепре. ппл оам о,еэ о,а 0„9 гй.зо-' 1,45.
1о ' 1,45 г 1,55 1,72 4,8 10 7,6 10 5,28 10 з,ог Водоро А род углеро аайпай., Водо фей Азот Кпсаород заф пяд.' .Водо а~~',-':.",' Азот 5,25 . 10 4 1О' 1,6 1,74 д 2,75 1О' рд 16 5,75 ° 10 6,9- 10 г,з г,з 2,5.1О ' 1,2 ° 10 2 2Д зг 1о' 1,1 5,25 ° 10 2,26 4 10 ерод 1.45 10 род 6,3 1О а 2,1 - 10-е род 2,26 глерод 6,9 10 ЗД 1О-' 1. 1О-' 1,З 1,45 2,1 ° 10 4 ° 10 2.26 0„47 2,5 1О-' 4,8 1О-' са65710й за счет испарения и днссоциации оксидов. при нагреве в ва".'",,„Ммеет место заметное испарение этих металлов (табл, 1.9) и 131 . '", цирконий, гафний. Элементьг $Уа подгруппы являются наи- 6~~$Й'::авгтивными, в связи с чем они широко используются в вакуумайгбд1йцппсе в качестве ноглотителей газов (гегтеров) [186] .
,::~)~Целы растворимости некоторых элементов внедрения Нэ, г1э, 1)йг~.;:и'ьюталлах этой подгруппы представлена в табл. 1.16 (см. также ~,;;;1Л). Как следует из этих таблиц, при взаимодействии металлов 4:.-'йй18)1рродом, азотом и углеродом последние растворяются в металле В'-'э~~мтальных количествах, вследствие чего поверхностные слои иээезрйаэйг. свою структуру и свойства. Образование таких дефектных с.„,;М обязательно сопровождается появлением на поверхности виД1а~~~аалов химического взаимоДействип.
:.,-~йра11фнциенты диффузии тех же элементов внедрения для различ...;~4®сительных температур представлены в табл. 1.17. -~-:,.„',В,:-:т а н. Прн нагреве титана на воздухе до температуры выше Ф..:;",В'-образуются окалина и газонасышенный, так называемый альфи- , слой 131. Потеря титана в окалине и при удалении хрупкого ого слоя может достигать 2--3 мм на каждой стороне. ,,8~9®ф$юдается при длительном нагреве крупных поковок и слябов. :-'яврчальная стадия взаимодействия титана при атмосферном давле- ~Ф),":1ййелорода, азота н воздуха подчиняется параболическому закону '„~~й~а, Образовавшаяся оксидная пленка, пока она тонкая, замед...' 18шанейшее окисление металла Скорость газонасышения в агом 19 таплвчл 1.1 7. зззвевлость козф4ллвиытз дырфтзни, еы /а, некоторых зизызитоз введризии вызтзлизх Гг'з лодгртвлы от огноегтзлкззог тззюзрзтур тоо 7т Элемент Мзтзлл внзгезинл О,еа 0,9 о,ез 2,5 1О' 2,5.10' 1.
10-з 1,1 1О' 6,9.1О ' 4,6. 10"з 4 ° 10 з 10-Э 1,74 ° 10 4,4 ° 10 52 10' 2,76 10 4.1О ' 1,45 10 2,2 . го ' 1,9. 10 7,6 ° 10 1,74. 1О"" 5,2.1О ' 1,45.1О ' 1„6 ° 10 2. 10 5,76 ° 10 6,3. 10 1 109 Гатти Водород Азот Кнатород Углерод Цирке- Водород Азот углерод Гзфква Киаюрод 1,2. 10 случае определяется диффузией кислорода через пленку. С увелив пнем продолжительности окисления и соответственно с ростом тол.
шины пленки защитные свойства ее ухудшаются вследствие образовз. ния трещин, в связи с чем параболический закон окисления переходиг в линейный. Из значений скорости взаимодействия следует, что прн лннейнол законе для титана и его важнейших сплавов на воздухе и в кислорош для 800 'С она составляет (2 л 8) 10 а г7'(смз с), 1200'С вЂ” (3гь5) > х 10 з гЯсмз с) ''131. При снижении давления кислорода до 2,14 . 101 Па количество погло. щенного газа резко снижается. Если предварительно окисленный на воздухе титан отжечь при оста.
точном давлении 1О 1 Па, то будет наблюдаться перераспределены кислорода по толщине, в результате чего окалина будет растворвтьст в титане. Изменение концентрации кислорода, контролируемой по чио лу мнкротвердости, показывает, что с увеличением продолжительностя вакуумного отжита глубина слоя возрастает, а концентрация кислора. да на поверхности снижается. С понижением давления кислорода скорость образования окалюьв снижается вспедствие уменьшения подвода кислорода из газовой фазы а скорость растворения в металле, определяемая днффузионньпии про. цессами, сохраняется.
При некотором давлении кислорода наступзе равновесие, характеризуемое тем, что вся образовавшаяся окалняг успевает раствориться в металле. При давлении ниже 46,5 Па окалюв не образуется на толстостенных титановых нзделнях прн продолжителк ности нагрева, равной десяткам часов. При более высоких давленият образуются оксидные пленки, Поскольку подвод кислорода через пленку определяется скоростью диффузии, окисление металла мала зависит от давления. 4О Р Р,Р 6,65 УР рое;::1,9. Температурная зависимость скорости взавмолеастаия И титана с кисло. [[[йуляинвоздухом пря различных давлениях рс 'М-- скорость испарения титана; 2 — скорость испарения ТЮ; 3-8 — расчетйа[е значения Ю при р= 10; 10; 10; 10 ", 10; 1 Па, кислород; 9— рь1айжримппалькые значения Л при р = 1 Па, воздух [19]; 10 — то же прн р= „'-'йбПа, воздух [19]; П вЂ” то же при р = 1 Па, кислород [21]; 12 — 17 — расчетйьаесжчачевияао прн р=1; 10 з; 10 з; 10 з; 10 е; 10 з па, кислород ,'.':,",.флснм образом, снижение давления воздуха до 1 — 10 Па дает воз9159роность избежать окалины, однако образование газонасьпценного ]]Л[зи:нри этом давлении имеет место.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
