Главная > Разное > Диаграммы равновесия металлических систем
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

ГЛАВА 5. ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Тигли

Для точного построения диаграмм равновесия важно предотвратить загрязнение сплавов при их изготовлении и в ходе термического анализа. Поэтому выбор огнеупоров имеет важное значение, а для активных сплавов с высокой температурой плавления часто это одна из основных проблем исследования. Обычно можно сравнительно медленно повышать температуру тигля, и при этих условиях основное требование заключается в том, чтобы огнеупорный материал обладал определенной физической и химической стабильностью в рабочем температурном интервале. Следующие наиболее важные свойства — прочность и сопротивление термическим ударам. Сопротивление термическим ударам определяется главным образом коэффициентом линейного расширения материала и становится особенно важным, если по условиям работы требуется проводить ускоренный нагрев или охлаждение. Если, например, необходимо помещать тигель в раскаленную добела печь или извлекать его обратно, то невозможно применять огнеупорный материал с высоким коэффициентом расширения, даже если он соответствует условиям работы при медленном нагреве или охлаждении. Тигель должен выдерживать не только воздействие расплавленного металла, но и воздействие применяемых шлаков и атмосферы.

Знание химического состава металлов и окислов позволяет правильно выбрать огнеупорный материал для данного сплава, однако проблема часто усложняется, так как материал, который подходит для двух чистых металлов в отдельности, может оказаться неподходящим для их сплавов.

Для упрощения выбора целесообразно разделить наиболее употребительные огнеупорные материалы на следующие основные классы.

Металлические тигли. Металлические тигли применяются редко, так как большинство металлов сплавляется друг с другом, но стальные тигли пригодны для некоторых щелочных и щелочноземельных металлов при использовании инертной атмосферы (аргона). Они не должны применяться, если присутствуют шлаки, так как многие шлаки действуют на сталь, образуя соединения (например, хлориды), которые

затем восстанавливаются активным щелочным металлом. Для термического анализа стальные тигли неудобны из-за относительно высокой теплопроводности, вследствие которой маскируются слабые остановки.

Графитовые тигли. Необходимо различать тигли из чистого графита (например, из электрографита) и тигли, изготовленные из смеси графитового порошка и связующего материала кремнистой природы. Чистый графит пригоден как огнеупорный материал для большинства металлов, не образующих карбидов. Он может быть получен в форме стержней различных диаметров, из которых изготовляются тигли требуемого размера. Расплав, находящийся в графитовом тигле, снабженном крышкой, сам себя окружает восстановительной атмосферой, даже если снаружи тигля находится воздух. Это преимущество графитовых тиглей. Если, например, применяется устройство, показанное на рис. 32, то сплав будет находиться в достаточно восстановительной атмосфере, несмотря на доступ небольших количеств воздуха в стеклянную трубу. Такое приспособление, конечно, не пригодно для металлов, восстанавливающих горячую окись углерода, однако в инертной атмосфере многие из них можно выплавлять в графитовых тиглях. Теплопроводность чистого графита меньше, чем стали, но значительно больше, чем у многих огнеупорных окислов или силикатов, и это может привести к маскировке термических остановок.

Графитовые тигли, содержащие кремнистые связующие материалы, меньше подходят для точных работ, и только эксперимент может показать, будет ли в таком тигле загрязняться данный сплав при выплавке.

Кварцевые и стеклянные тигли. Во многих ранних работах, в которых снимались кривые охлаждения, применялись тигли из твердого стекла. Позднее стекло было заменено кварцем, после того как он стал техническим материалом. Для исследования металлов с относительно низкой температурой плавления эти материалы часто оказываются пригодными. Так, многие из легкоплавких сплавов щелочных металлов могут быть расплавлены в стеклянных сосудах без заметного загрязнения, стекло становится темным из-за образования слоя силицида или силиката с высокой температурой плавления, который может препятствовать дальнейшему взаимодействию расплавленного металла и стекла. Наоборот, сплавы алюминия не могут расплавляться в стеклянных или кварцевых тиглях без заметного загрязнения. В общем случае вопрос о пригодности

таких тиглей для конкретных сплавов должен решаться экспериментально.

Окислы-силикаты и чистые окислы материалов. Для металлов, легко загрязняемых кремнием, идеальным огнеупорным материалом обычно являются чистые тугоплавкие окислы, которые не взаимодействуют с расплавом. Тигли из чистых окислов, однако, трудно изготовить, так как частицы порошка чистого окисла плохо связываются при температурах более низких, чем температура спекания, а механические свойства спеченных окислов очень низки.

Можно указать ряд огнеупорных материалов, начиная от огнеупорной глины с высоким содержанием кремнезема до обычных тиглей из окислов, содержащих заметные количества кремневой кислоты в качестве связки, и спеченных или рекристаллизованных тиглей, изготовленных из чистых окислов. Из этих материалов огнеупорная глина применима для ряда неактивных сплавов, но она не должна использоваться без предварительного анализа на загрязнения. Переходя к тугоплавким окислам, нужно подчеркнуть, что обычно почти все технические марки окислов для тиглей, известные под названием «магнезия» или «чистая магнезия», в действительности представляют собой смеси магнезии с заметными количествами кремнистой связки. При изучении систем, в которых активность сплавов меняется в широких пределах, может оказаться, что такого типа тигли пригодны для сплавов одной части системы и не пригодны для другой. Так, например, при изучении систем и сплавы, богатые оловом, могут выплавляться в обычных промышленных магнезитовых тиглях, в то время как для сплавов, богатых магнием, необходимо применять тигли из чистых окислов; сплавы, богатые кальцием, выплавляют в стальных тиглях. Таким образом, часто экономичней применять тигли из различных материалов для сплавов одной и той же системы. Иногда можно избежать расхода чистых огнеупорных окислов благодаря применению смеси глинозема и плавикового шпата [46] для обмазки шамотных тиглей. По этой технологии обычный тигель из шамота футеруют или обмазывают смесью глинозема и плавикового шпата с небольшим количеством связки, в качестве которой служит

гуммиарабик. Тигли, изготовленные таким образом, сушат и обжигают как обычные лабораторные тигли, и они могут служить до температуры 1500°, например при плавке железных и алюминиевых сплавов.

Было установлено, что подобные тигли вполне пригодны для большого числа сплавов вследствие того, что они не загрязнены кремнекислотой. Подробности о технике изготовления такой футеровки можно найти в приведенной литературе. Основной недостаток описанных тиглей заключается в том, что они сравнительно легко рассыпаются.

Тугоплавкие металлы обычно плавят в тиглях из их чистых окислов, чаще всего в корундизовых. Для менее ответственных работ можно применять алуидовые тигли, выгодные во многих отношениях; некоторые из них содержат меньше 5% кремнезема Для футеровки тиглей может также применяться более чистый алундовый цемент.

Для более ответственных работ окись алюминия не должна содержать кремнистых веществ; в настоящее время известно много типов «спеченных» и «рекристаллизованных» корундизовых тиглей. Они могут применяться до 1900° и пригодны для сплавов, которые не реагируют с окисью алюминия. После футеровки тонким слоем окиси тория они могут применяться также для более агрессивных металлов. Так, некоторые богатые хромом сплавы насыщаются кислородом при выплавке в чистых корундизовых тиглях, но могут нормально выплавляться в таких же тиглях, футерованных окисью тория.

Магнезия (окись магния) плавщтся около но она более активна, чем окись алюминия, и сравнительно легко улетучивается при высоких температурах. Магнезия может применяться для сплавов железа, кобальта и никеля с неагрессивными металлами. Окись бериллия менее агрессивна, чем магнезия и корундиз (окись алюминия), и может применяться до 2200°. Однако работа с окисью бериллия в обычных лабораторных условиях недопустима, так как вдыхание даже очень небольших количеств пыли вызывает смерть. Работа с этим веществом требует специальных мер по охране труда и технике безопасности.

Наиболее подходящий огнеупорный материал для активных металлов при очень высоких температурах — спеченная окись тория; тигли из этого материала изготовляют, но они очень дороги. Присутствие пыли окиси тория также опасно, и необходимы особые меры предосторожности, чтобы избежать накапливания пыли от поломанных тиглей в лаборатории.

В некоторых случаях вместо окиси тория может быть использована окись циркония. Недостатком чистой окиси циркония является превращение при 800—1000°, которое делает невозможным изготовление изделий из этого материала. Это затруднение преодолевается добавкой 3% извести или магнезии, которые препятствуют превращению.

Изделия из описанных материалов изготовляют по специальной керамической технологии, разработанной для чистых окислов; за дальнейшими подробностями отсылаем читателя к соответствующей литературе [47].

Другой перспективный материал для тиглей — известь. Маленькие тигли из этого материала могут быть изготовлены высверливанием отверстия в куске мрамора и нагревом его до 1000° до превращения в окись кальция; затем следует обжиг при 2000°. Готовый тигель обладает необходимой твердостью и стойкостью, но должен сохраняться в закрытом контейнере во избежание поглощения влаги из атмосферы. Известковые тигли можно изготовить формовкой смеси чистого карбоната кальция с водой, а затем сушкой и обжигом.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление