Растворимость легкоплавких, легкоокисляющихся и легкоиспаряющихся элементов в сплавах на основе железа

Широко известные недостатки легкообраба-тываемых марок стали, обеспечивающих возможность комплексной автоматизации производства, обусловливают продолжение поиска новых способов улучшения условий процесса резания металлических материалов, в том числе и за счет альтернативных легирующих элементов, в качестве одного из которых может рассматриваться висмут.

В литературе имеется материал по влиянию висмута и свинца на свойства стали и ее обрабатываемость резанием [1, 2], но почти не изучены физико-химические условия растворения свинца и висмута в твердом, жидком железе и его сплавах [3].

Растворимость свинца в бинарных сплавах на основе железе изучалась разными исследователями. Здесь, прежде всего, следует упомянуть работы Ю.А. Агеева, а также, работы K.O. Miller, J.F. Elliot [4]. Растворимость свинца в бинарных сплавах исследована Агеевым только для температуры 1550 °С. Для многих важных систем (Fe–Mn, Fe–Si, и др.) в литературе имеются единичные исследования по растворимости свинца; для других (Fe–Cr, Fe–Ni) результаты разных авторов довольно сильно расходятся, наконец, для системы Fe–C, как и для многих других систем, экспериментальные данные отсутствуют вовсе. Наша задача состоит в исследовании растворимости свинца в железе и сплавах на его основе более точным (насыщение через газовую фазу) способом при высоких температурах, чем те, которыми обычно ограничивались исследователи. В литературе полностью отсутствуют данные о растворимости висмута в сплавах железа и влиянии различных элементов на его активность в жидких растворах. Заполнение этих пробелов является одной из целей настоящей работы.

Сложность определения растворимости связана с физико-химическими свойствами свинца (низкая температура плавления – 327,4 °С, высокая плотность – 11,35 г/см3) и висмута (низкая температура плавления – 271,3°С, температура кипения ниже температуры выплавляемой стали – 1560 °С, высокая упругость пара, высокая плотность – 9,750 г/см3). Для проведения экспериментов необходимо создать следующие условия: герметизация рабочего пространства, создание и поддержание высокой температуры (1500…1700 °С) в течение определенного периода времени, получение высо-

Рис. 1. Установка тиглей для опытных плавок (а) и градуировки термопары (б): 1 – графитовый контейнер с привинчивающейся крышкой; 2 – молибденовый контейнер с притертой крышкой; 3 – расплав висмута или свинца; 4 – молибденовый тигель; 5 – столик из молибденовой жести; 6 – бинарный сплав; 7 – керамический тигель; 8 – таблетка из порошка эталонного металла

кого давления в реакционной зоне, получение закаленного слитка после опыта, автоматическое регулирование продолжительности эксперимента. Поэтому для проведения опытов была модернизирована печь высокого давления на кафедрах общей металлургии и физической химии ЮУрГУ.

Насыщение жидких железных сплавов висмутом и свинцом проводили через газовую фазу в закрытом молибденовом контейнере с притертой крышкой, помещенном в графитовый тигель с завинчивающейся крышкой. Изучение растворимости висмута в сплавах железа с хромом (до 24,14 %), марганцем (до 5,02 %), кремнием (до 2,78 %), никелем (до 12,68 %) и свинца в сплавах железа с хромом (до 15,26 %), марганцем (до 5,53 %), кремнием (до 15,12 %), никелем (до 15,01 %), и рядом других элементов проводилось по методике, аналогичной для определения растворимости висмута и свинца в жидком железе (рис. 1).

Предварительно было проведено по три кинетических опыта по насыщению висмутом и свинцом сплава Fe–Ni с целью определения времени, необходимого для достижения равновесия между металлом и газовой фазой. В процессе выдержки при температуре 1600 °С максимальное постоянное содержание висмута и свинца в железе достигалось через 25–30 мин (рис. 2). В дальнейших опытах время насыщения было принято равным 60 мин, после печь быстро охлаждалась при отключении питания.

Калибровка термопары печи проводилась через каждые 4–5 опытов. Реперным веществом служило

Рис. 2. Изменение содержания висмута и свинца в железоникелевом сплаве в зависимости от времени насыщения

порошковое карбонильное железо, плавление которого наблюдалось визуально, в условиях, идентичных экспериментальным.

Далее все опыты проводились при температуре 1600 °С и исходном давлении аргона 1,1 атм. Печь разогревалась со скоростью примерно 40 °С/мин до 1600 °С выдерживалась 60 мин и быстро охлаждалась при отключении питания.

До и после опыта контролировалась масса насыщаемого слитка. Его привес позволял грубо оценивать содержание свинца и висмута. Практически всегда оценка по увеличению массы совпадала с данными химического анализа.

Применяли карбонильное железо и легирующие элементы марки ЧДА. Содержание свинца и висмута в тройных сплавах определяли атомноэмиссионным анализом в лаборатории ЮУрГУ.

Установлено, что кремний при температуре 1600 °С понижает растворимость висмута в сплаве, а марганец и никель ее увеличивают (рис. 3). Влияние хрома незначительно, при содержании более 16 % он несколько понижает растворимость висмута.

В результате проведенных экспериментов установлено, что кремний и хром при температуре 1600 °С понижают растворимость свинца в сплаве, а марганец и никель ее увеличивают (рис. 4).

Рис. 3. Влияние легирующих элементов на растворимость висмута в жидких сплавах на основе железа при температуре 1600 °С

Содержание легирующего элемента, мас. %

Рис. 4. Влияние легирующих элементов на растворимость свинца в жидких сплавах на основе железе при температуре 1600°С

По экспериментальным зависимостям вычислены параметры взаимодействия первого ( e _B^(S_iⁱ⁾ = 0,1148; e _B^(M_iⁿ⁾ = –0,0512;    e _B^(N_iⁱ⁾ = –0,052;

eB(Cir) = 0,0011) и второго порядка висмута ( r(Si) = –0,0113; r(Mn) = –0,0004; r(Ni) = –0,0013; Bi                    Bi                      Bi rB(Mi n) = 0,0002) для соответствующего легирующего элемента в тройных сплавах при 1600 °С (рис. 5).

По экспериментальным зависимостям вычислены параметры взаимодействия первого ( e _P^(S_bⁱ⁾ = 0,0372; e _P^(M_bⁿ⁾ = –0,066; e _P^(N_bⁱ⁾ = –0,0071; e _P^(C_b^r) = 0,0039) и второго порядка свинца

(Si) (Mn) (Ni)

( r _Pb = –0,0002; r _Pb = –0,0015; r _Pb = –0,0021; r _P⁽_b^Cr) = 0,0003) для соответствующего легирующего элемента в тройных сплавах при 1600 °С (рис. 6).

В работе было проведен сравнительный анализ растворимости свинца и висмута в железоникелевом сплаве при температурах 1550, 1600 и 1650 °С (рис. 7 и 8).

Выводы

Экспериментально определена растворимость висмута и свинца в тройных сплавах железа с кремнием, никелем, марганцем и хромом при температуре 1600 °С. В присутствии марганца и никеля

Рис. 5. Зависимость логарифма коэффициента активности висмута от содержания Si, Mn, Cr и Ni в сплавах на основе железа

Рис. 6. Зависимость логарифма коэффициента активности свинца от содержания Si, Mn, Cr и Ni в сплавах на основе железа

Рис. 7. Влияние никеля на растворимость свинца в железоникелевом сплаве при температуре 1550, 1600 и 1650 °С

Рис. 8. Влияние никеля на растворимость висмута в железоникелевом сплаве при температуре 1550, 1600 и 1650 °С

растворимость висмута увеличивается, при введении кремния – уменьшается; влияние хрома незначительно. Кремний и хром при температуре 1600 °С понижают растворимость свинца в сплаве, а марганец и никель ее увеличивают. Определены параметры взаимодействия висмута и свинца (первого и второго порядка) с легирующими элементами в изученных сплавах. Проведен сравнительный анализ растворимости свинца и висмута в железоникелевом сплаве при температурах 1550, 1600 и 1650 °С.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13-08-00638.