Расплавы, 2022, № 5, стр. 504-510

ВВЕДЕНИЕ

Железоуглеродистые сплавы широко используются в машиностроении. Высокие механические свойства и технологичность обработки способствовали их распространению. Механические свойства сплавов снижают присутствующие газы. Сплавы с пониженным содержание газов выплавляют в вакуумно-дуговых и электронно-лучевых печах. Влияние переноса ионов в потоке электронов на дегазацию не учитывается. Используется только тепловая энергия прошедшего электричества [1]. Электричество в вакууме переносят электроны совместно с ионами [2–4]. Перенос элементов в вакууме ионами подтверждают снимки удаления микронных капелек с поверхности расплавов галлия и индия [2]. Авторы определили атомность удаляемых ионов Ga⁺ с 2 до 6 [2], ионов Au⁺ с 2 до 7 [3]. Атомность ионов увеличивалась с повышением прошедшего количества электричества. Многоатомные группировки (эктоны) обнаружены при взрыве перегретых микрообъемов металлов в вакууме [4]. Их движение к аноду обеспечивал поток 10¹¹ электронов. В приведенных работах из металлов в вакууме при воздействии электрического поля удалялись многоатомные однозарядные ионы металлов. Они увеличивались до капелек с повышением прошедшего электричества.

Влияние переноса ионов в электрическом поле на дегазацию рассмотрено на расплавах железа с углеродом в гелии. Одинаковые по весу расплавы Fe–C (0.8 и 2 мас. %) снижали вес при отрицательной полярности по-разному. Расплав с повышенным содержанием углерода снижал вес в 2.4 раза больше. Одинаковыми в опытах были температуры и давление гелия. Значительно отличалось прошедшее количество электричества (1500 и 840 Кл) и его межэлектродная напряженность (73 и 183 В/см). Расплав с повышенным содержанием углерода снижал вес быстрее при меньшем прошедшем электричестве и повышенной межэлектродной напряженности.

Предстоит обосновать взаимозависимость изменения веса, прошедшего количества электричества, напряженности электрического поля с содержанием углерода в расплавах. Также нужно установить за счет удаления каких элементов из расплава снижался его вес. Совместно с газами могли переноситься железо и углерод. Не ясна причина различий прошедшего количества электричества и напряженности электрического поля в плавках. Решение этих вопросов позволит установить удаляемые газы, массу и число атомов в ионах, долю ионов в электричестве во время опытов и в короткие периоды проведения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Удаление газов из двухграммовых расплавов Fe–C (0.8 и 2 мас. %) определяли по изменению веса в термогравиметрической установке в гелии высокой чистоты. Изменение веса до 10^–5 г замеряли при температуре 1655°С по растяжению пружины 0.01 г/мм и точности отсчета 0.001 мм с помощью катетометра КМ-8. Электрическое поле в двухсантиметровом межэлектродном пространстве гелия создавал универсальный источник питания УИП-1. Снижение веса расплавов с разным содержанием углерода происходило при отрицательной полярности. Оно также зависело от прошедшего количества электричества и межэлектродного напряжения (рис. 1). Вместе они снизили вес расплава с меньшим содержание углерода на 7.3 · 10^–3 г, с повышенным – на 17.3 · 10^–3 г. Конкретное влияние на изменение веса углерода (0.8 и 2 мас. %), прошедшего количества электричества (1500 и 840 Кл) и межэлектродной напряженности (75 и 183 В) не известно. Снижение веса расплава могло происходить при удалении углерода, водорода, азота и кислорода. Участие в переносе каждого определили по массе одноатомных ионов с учетом влияния условий проведения опытов.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА

Изменение веса М (г) расплава рассчитывали по произведению числа однозарядных ионов и атомной массы Am/N_A переносимого элемента [5]

Здесь Q – прошедшее количество электричества, Кл; Х – доля однозарядных ионов в прошедшем электричестве; е – элементарный заряд (1.602 · 10^–19 Кл), А – атомный вес переносимого элемента; m – число атомов в ионе; N_A – число Авогадро (6.022 · · 10²³ моль^–1).

После замены eN_A численными значениями из (1) получили

Значения M, Q в зависимости (2) взяты из опыта. Доля Х однозарядных ионов переносимых элементов в прошедшем электричестве определялась по отношению скорости иона ${{W}^{ + }}$ к сумме его скорости и скорости электрона ${{W}^{ - }}$ для условий проведения опыта:

Скорость электрона в гелии в основном зависит от напряженности электрического поля. Ее значения приведены в литературе [6].

Скорость иона ${{W}^{ + }}$ находили по приведенной подвижности иона ${{K}_{0}},$ напряженности электрического поля Е между электродами, температуре Т и давлении Р [7]

Приведенная подвижность присутствующего в расплаве водорода – 31.8 см²/В · с [7]. Подвижности углерода – 23.74; азота – 23.56; кислорода – 23.40; железа – 21.00, рассчитаны по известным подвижностям близких по атомной массе щелочных металлов [5].

Изменение веса М расплава в опыте происходило за счет совместного переноса присутствующих элементов однозарядными ионами разной атомности. Атомность ионов каждого элемента определили по массе одноатомного иона с учетом необходимого для его переноса количества электричества и соответствующего изменения веса расплава. Необходимое количество электричества Q_э являлось частью прошедшего Q. Оно определено по отношению произведения доли Х_э ионов в электричестве и атомного веса А_э элемента к сумме их значений всех участников переноса

По значениям Q_э, Х_э и зависимости (2) при m = 1 рассчитана масса М_э одноатомных ионов переносимых элементов. Сумма произведений переноса массы М_H,C,N,O одноатомных иона переносимых газов на определяемое число атомов m_H,C,N,O равна снижению массы М в соответствующие периоды опыта

РАСЧЕТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Удаляемые из расплавов газы, их количество и атомность определены в опытах (25 и 30 мин) и в период их проведения. В расчетах использованы: напряженность электрического поля Е, прошедшее количество электричества Q, скорость электронов ${{W}^{ - }},$ ионов ${{W}^{ + }},$ доля ионов Х в электричестве (табл. 1). Изменение Е, Q во время опытов приведены по результатам измерения (рис. 1). Доля ионов Х в количестве электричества рассчитана по скоростям электронов ${{W}^{ - }},$ ионов ${{W}^{ + }}$ по зависимости (3). Скорости электронов ${{W}^{ - }}$ зависящие от напряженности электрического поля Е взяты из литературы. Скорости ионов ${{W}^{ + }}$ рассчитаны по формуле (4). Электричество переноса одноатомных ионов Q_э элементов определено по выражению (5). По Q_э одноатомных ионов и доле Х_э их в электричестве Q_э по формуле (1) рассчитаны массы одноатомных ионов элементов (табл. 2). Сумма произведений масс одноатомных ионов удаляемых газов на определяемое число атомов равна снижению массы М расплава в соответствующие периоды проведения опыта (табл. 2). Удаляемыми стали газы с числом атомов, обеспечивающие равенство масс в двенадцати уравнениях типа (6) по шесть для каждого сплава. Одно связывает рассчитанное удаление газов с экспериментальным снижением веса расплава в период опыта и пять в коротких периодах его проведения (табл. 2).

Из расплава Fe–C (0.8 мас. %) в период опыта удалялся водород в виде трехатомных ионов ${\text{Н}}_{3}^{ + }$ и азот ${\text{N}}_{3}^{ + }$ с массой на 0.07% больше замеренной. В первом коротком периоде удалялся водород в виде пятиатомных ионов ${\text{Н}}_{5}^{ + }$ (0.0219 · 10^–3 г), азот ${\text{N}}_{2}^{ + }$ (0.961 · 10^–3 г) и кислород ${\text{O}}_{3}^{ + }$ (1.8154 · 10^–3 г) с общей массой на 0.06% меньше замеренной. Отсутствие удаления, присутствующего в расплаве в период опыта, кислорода возможно связано с его недостатком 1.8658 · 10^–3 г для образования одноатомного иона кислорода (3.1043 · 10^–3 г). В следующие короткие периоды удалялся водород и азот.

Расплав Fe–C (2 мас. %) в электрическом поле освобождался от водорода, азота и кислорода. В период опыта удалялся водород в виде ионов ${\text{Н}}_{{10}}^{ + }$ (0.180 · 10^–3 г), азот ${\text{N}}_{2}^{ + }$ (4.0268 · 10^–3 г) и кислород ${\text{O}}_{5}^{ + }$ (13.0875 · 10^–3 г). Отклонение рассчитанного удаления от экспериментального изменения веса 0.03%. В первом коротком периоде удалялся водород в виде ионов ${\text{Н}}_{7}^{ + }$ (0.0166 · 10^–3 г), азот ${\text{N}}_{2}^{ + }$ (0.4554 · 10^–3 г), кислород ${\text{O}}_{{12}}^{ + }$ (13.5266 · 10^–3 г). Многократное снижение массы одноатомных ионов повысило число атомов в ионах удаляемых газов. В следующих периодах атомность удаляемых ионов газов понижалась ${\text{Н}}_{{28}}^{ + }$ до ${\text{Н}}_{5}^{ + },$ ${\text{N}}_{4}^{ + }$ до N⁺, ${\text{O}}_{{11}}^{ + }$ до O⁺. Снижение атомности ионов газов было результатом очистки расплава.

Отличие отклонений рассчитанных изменения масс в коротких периодах от реальных погрешностей в опытах вызвано различием условий (табл. 2). Углерод из расплавов не удалялся. В поверхностном слое отсутствовал, удерживали прочные связи с железом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Углерод в расплаве железа повышал содержание газов в поверхностном слое и способствовал удалению. Газы из расплава с повышенным углеродом удалялись при меньшем количестве прошедшего электричества с повышенной долей ионов. Вес расплавов снижался при отрицательной полярности за счет удаления однозарядных ионов газов с разным числом атомов. Удаление зависело от массы одноатомных ионов газа и числа атомов.

Масса одноатомного иона газа во время опытов больше массы таких ионов в коротких периодах, а число атомов меньше. Вес удаленных газов снижался в период проведения опытов. Содержание углерода в расплаве влияло на состав газов в поверхностном слое. Из расплава Fe–C (0.8 мас. %) во время опыта удалялся водород в виде ионов ${\text{Н}}_{3}^{ + }$ (0.0658 · 10^–3 г) и азота ${\text{N}}_{3}^{ + }$ (7.2396 · 10^–3 г). Отклонение их массы от изменения веса в опыте +0.07%. Из расплава Fe–C (2 мас. %) в период опыта удалялся водород в виде ионов ${\text{Н}}_{{10}}^{ + }$ (0.180 · 10^–3 г), азота ${\text{N}}_{2}^{ + }$ (4.02081 · 10^–3 г), кислород ${\text{O}}_{5}^{ + }$ (13.04268 · · 10^–3 г). Отклонение их массы от снижения веса расплава –0.03%. Количественное совпадение удаления рассчитанных масс многоатомных ионов водорода, азота, кислорода со снижением веса расплава в опытах убеждает в достоверности взаимозависимости условий в методе расчета. Углерод в поверхностном слое отсутствовал и из расплава не удалялся.