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

ГЛАВА 12. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЧЕК ЛИКВИДУСА

Из предыдущих глав можно заключить, что для успешного проведения экспериментов по снятию кривых охлаждения необходимо соблюдение следующих условий:

1. В пространстве, непосредственно окружающем тигель с расплавленным металлом, не должно быть (по возможности) температурных градиентов; этим предотвращаются местные колебания температуры.

2. Скорость охлаждения в районе первой остановки должна быть мала. Это означает, что при такой температуре к исследуемому образцу должно быть подведено тепло. Необходимо также предусмотреть устройство для уменьшения теплового излучения и предотвращения слишком сильного понижения скорости охлаждения при низких температурах.

3. При охлаждении жидкий сплав следует перемешивать; это исключает местные изменения температуры и уменьшает переохлаждение.

4. Должно быть предусмотрено устройство для определения состава расплава точно в момент наступления остановки (этот вопрос рассматривается в главе 13).

5. Огнеупоры, тигли, чехлы термопары и т. д. и окружающая атмосфера не должны загрязнять расплав.

Для многих систем экспериментальные трудности предотвращения загрязнения сплавов настолько велики, что они представляют одну из главных проблем исследования.

Невозможно указать какой-нибудь один определенный экспериментальный метод, который удовлетворял бы указанным условиям для всех сплавов. При исследовании каждой системы сплавов возникают свои специфические трудности, и иногда необходимо намеренно пожертвовать точностью в одном отношении для того, чтобы обеспечить ее в другом. Например, при работе со сплавами летучих металлов приходится увеличивать скорость охлаждения для того, чтобы уменьшить изменения в составе благодаря улетучиванию во время опыта.

В главе 18 описываются некоторые методы, которые были разработаны для решения специальных задач, встречающихся при изучении очень летучих сплавов, сплавов, затвердевающих ниже комнатной температуры, и др. В данной главе мы рассматриваем методы, имеющие общее значение для большинства

обычных металлов. Однако следует отметить, что и в этом случае детали опыта часто требуется видоизменять.

Для сплавов, плавящихся до 1100°, первые три требования из числа указанных выше могут быть выполнены при использовании простой установки, показанной на рис. 81. Здесь I — хорошо изолированная печь высотой 300-600 мм с внутренним диаметром 50-75 мм с нихромовым нагревателем. Такая печь с толстой нихромовой обмоткой имеет весьма продолжительный срок службы при 1000°, а при 1150° может работать в течение 10—20 опытов без повреждения. Нижняя часть печной трубы 2 закупоривается слоем асбесто-магнезиевой изоляции или каким-нибудь другим огнеупорным материалом. Слой должен быть такой высоты, чтобы дно тигля 3 находилось немного ниже середины печи. Кварцевую трубу 4 устанавливают вдоль оси печи. Нижний ее конец слегка расширяют, чтобы поддерживать диск 5 из асбеста или другого огнеупорного материала, поверх которого обычно помещают тепловую изоляцию. Термопару и мешалку вводят через трубу 4, отверстие которой может быть закрыто асбестовой ватой. Тигель 3 закрывают крышкой с высверленным отверстием для термопары и мешалки.

Рис. 81. Установка для снятия кривых охлаждения от температур не выше нихромовая печь сопротивления; 2 — асбесто-магнезиевая изоляция; 3 — тигель; 4— кварцевая труба; 5 — огнеупорный диск, поддерживающий изоляцию

С помощью такого устройства легко регулировать изолирующий слой в верхней части пцчи так, чтобы термопара, погружаемая в хорошо перемешанный сплав, могла перемещаться на 50 мм без изменения показаний более чем на 0,1 — 0,2°. Один из авторов этой книги работал с подобной установкой при высоте печи всего лишь 200 мм. В этом случае потребовалось для исключения температурного градиента большое искусство при регулировке изолирующего слоя. Так, один исследователь мог получать температурный градиент меньше чем 0,2°, в та время как другой исследователь на такой же установке обычно не мог получить изменения температуры меньше чем 1°. тот пример подчеркивает важную роль искусства и опыта при работе по построению диаграмм равновесия и показывает, что исследователь, владеющий экспериментом, может

зачастую получать первоклассные результаты на сравнительно грубой установке. Более подходящей для подобных исследований является печь длиной При работе выше 1000° постоянство температуры вдоль печи может быть улучшено введением в печь медной трубы или трубы из нержавеющей стали.

Для установок общего типа [82] (см. рис. 81) удобно применять цилиндрические тигли с внутренним диаметром Объем металла должен быть от 10 до а высота слитка по крайней мере вдвое больше диаметра, что соответствует другим размерам печи ( сплава в тигле диаметром образуют слиток высотой При исследовании меньших образцов лучше увеличить отношение высоты к диаметру. Для редких металлов все размеры установки могут быть на много уменьшены; удовлетворительные результаты получаются для образца объемом около (т. е. сплава, богатого медью) при условии, что скорость охлаждения не больше 1 град/мин, и при очень тонком чехле термопары.

Если исследуются химически активные сплавы, то может быть применена такая же установка, но тигель в этом случае помещают в кварцевой трубе, нижний конец которой запаян, как показано на рис. 82. Верхний конец трубы закрывают резиновой пробкой, через которую проходит стеклянная трубка с двухходовым краном (см. рис. 82, а), с помощью которого труба может быть откачана и заполнена инертным газом, например азотом или аргоном.

Устройство приспособления для термопары и мешалки зависит от того, насколько необходимо избавиться от следов воздуха. При работе со серебромагниевыми сплавами достаточно заполнить трубу аргоном, а затем, поддерживая небольшое избыточное давление аргона, двести термопару в широкую трубу (см. рис. 82, а). Верхняя часть трубы 4 может быть затем набита шлаковой ватой. Эксперимент проводится в слабой струе аргона, заполняющего трубу и вытесняющего воздух. Если необходимы более строгие предосторожности, то проволоку термопары можно вводить через маленькую резиновую пробку (рис. 82,б). Мешалка в этом случае может приводиться в действие через сильфон или кусок резиновой трубки.

При работе с установкой такого типа, как показано на рис. 81, должно быть обеспечено перемешивание расплавленного металла до полной однородности по составу. Это особенно важно, если компоненты сплава отличаются по плотности. Когда слиток достаточно велик и состав сплава допускает

(кликните для просмотра скана)

соприкосновение со стеклом или кварцем, удобна конструкция мешалки, показанная на рис. 83, а. При более ограниченном пространстве можно применять мешалку, изображенную на рис. 83,б.

При очень медленном охлаждении скорость охлаждения сплава определяется сщростыо перемешивания. Мешалку перемещают в более холодную часть печи, там она охлаждается и таким образом отводит тепло из металла во время следующего погружения. Возможность охлаждения возрастает с увеличением высоты печи. Для печи высотой 200 мм, увеличивая скорость перемешивания, можно увеличить скорость охлаждения от 0,5 до 1 град/мин. Для печи высотой 460 мм этот эффект значительно меньше. Постоянную скорость перемешивания можно обеспечить простыми механическими приспособлениями, но наиболее рационально ручное перемешивание, так как в этом случае оператор может обнаружить и устранить случайные повреждения (например, застревание твердых тел).

Рис. 84. Расположение термопары в кварцевом чехле

Вообще, как указывалось выше, во время снятия кривой охлаждения желательно уменьшать ток в печи сопротивления так, чтобы скорость охлаждения не становилась слишком малой. Этого можно достигнуть при помощи реостата, скользящий контакт которого приводится в действие двигателем с редукционной передачей. Если такого приспособления нет в распоряжении, то можно ограничиться ручной регулировкой. При условии, что перемещения движка невелики и происходят через равные промежутки времени, получается удовлетворительное изменение скорости охлаждения. Режим печи можно регулировать, изменяя напряжение автотрансформатором-вариаком ручным или механическим способом, но в любом случае вводя редукционную передачу.

Как указывалось выше, если первая остановка велика, то за время остановки заметно понизится температура среды

печи; в результате впоследствии скорость охлаждения может значительно увеличиться (см. рис. 61). Когда первая остановка сопровождается более слабой второй, то эту остановку трудно обнаружить, если она происходит на круто спадающей части кривой. В этом случае можно применить приспособление, которое обеспечивает такое изменение тока, проходящего через печь, что между расплавом и стенкой печи поддерживается постоянный температурный перепад. Подобное приспособление описано в главе 14. В некоторых случаях этот метод оказывается наиболее удобным, особенно когда приходится работать с маленькими слитками. Однако описанный метод исследования связан с очень значительным удлинением первой остановки, так что во избежание потери времени устройство следует применять только там, где это действительно необходимо.

В заключение кратко укажем, что необходимо для получения наиболее точных результатов при снятии кривой охлаждения:

1. Термопара должна быть отградуирована в определенных точках в области интересующих температур. Градуировка должна проводиться в условиях, совершенно аналогичных тем, какие будут при последующем снятии кривых охлаждения. Для этого конец термопары должен быть на расстоянии от дна, равном около высоты слитка (рис. 84). Конец термопары не должен касаться ее чехла. Во всех последующих экспериментах нужно использовать слитки одинаковых размеров. Если чехол термопары прижимается к дну тигля, то конец термопары должен быть во всех опытах на одинаковой высоте. Выполнение этого условия не обязательно, если требующаяся точность не превышает но когда необходима более высокая точность, соблюдение его необходимо. Чехол термопары должен находиться всегда в середине слитка, а не у стенок тигля. При использовании графитовых тиглей точная центровка термопары облегчается сверлением конусообразной впадины в дне тигля. Для других огнеупоров должно быть применено зажимное приспособление.

Для получения наиболее точных результатов термопару следует градуировать после каждых одного-двух опытов.

Эта предосторожность может быть опущена, если достаточна точность 1°, при условии, конечно, что во время опыта термопара не загрязняется. Если загрязнение возможно, то и в этом случае после снятия каждой кривой охлаждения необходимо градуировать термопару. Необходимо также

проводить градуировку во время снятия кривой охлаждения методом, описанным в главе 15.

2. Перед снятием кривой охлаждения сплав расплавляют и хорошо перемешивают. Затем в него погружают чехол термопары и ток, проходящий через печь, регулируют так, чтобы скорость охлаждения была порядка 1-г 2 град/мин. Затем, как описывалось выше, ток постепенно уменьшают, и показания термопары снимают через каждые 0,5 мин.

3. Если точка затвердевания приблизительно известна, то перед остановкой предварительно проверяют состояние печи. Чехол термопары поднимают в течение 1 мин. на 25 мм и выдерживают 1 мин. в этом положении, а затем опускают до первоначального положения. Для температур ниже 1100° при удовлетворительном состоянии печи два отсчета при верхнем положении термопары не должны отличаться болг чем на 0,2° от плавной кривой, проведенной через точки, записанные до и после проверки. Если испытание дает неудовлетворительные результаты, то нужно отрегулировать величину слоя изоляции выше и ниже печи.

4. Отмечая разницу между следующими один за другим показаниями, наблюдатель может заметить начало остановки, проверить в этой точке нулевую ошибку и чувствительность гальванометра, точную балансировку потенциометра и температуру нормального элемента. Это позволяет внести небольшие поправки «кажущейся э. д. с. термопары в точке остановки.

5. После проверки состояния электроизмерительных приборов, как указано в п. 4, термопара поднимается на 25 мм, как указано в п. 3. В хорошо перемешанном металле колебания температуры не должны превышать 0,1-0,2°.

На практике вся эта процедура лучше всего выполняется двумя экспериментаторами: один отсчитывает и записывает по потенциометру показания термопары, а другой наблюдает за печью, перемешивает сплав и т. д. Если расплавление сплава связано с применением едких флюсов, то печь и потенциометр должны находиться в различных комнатах, разделенных стеклянной перегородкой, так, чтобы двое работающих могли сообщать друг другу о ходе опыта. Если устройство печи исключает испарение и сильное тепловыделение, то все эксперименты могут выполняться одним наблюдателем. Но это всегда затрудняет непрерывное и равномерное перемешивание, обычно лучше всего ставить опыты при участии двух экспериментаторов,

Перечисленные условия дают возможность фиксировать термические остановки в области температур до 1100° с точностью до Как будет показано в главе 13, эта степень точности обычно больше точности, с которой можно определять состав расплава в момент затвердевания. Конечно, самая высокая точность получается только при отсутствии переохлаждения. Когда имеется заметное переохлаждение, то необходимо продолжить определение термической остановки. В этом случае первую кривую, полученную с переохлаждением, можно использовать для приблизительного суждения о положении точки затвердевания сплава. Затем опыт повторяют в условиях, которые обеспечивают более энергичное перемешивание металла и уменьшение скорости охлаждения до 0,5 град/мин. Если это не устраняет переохлаждения, должен быть применен метод модификации расплава. Для этого в верхней части тигля должны быть предусмотрены отверстия, через которые опускаются небольшие крупинки твердого сплава; твердые частички опускаются, когда температура будет выше ожидаемой точки ликвидуса на 1—2°. Введенные частицы служат зародышами, у поверхности которых начинается кристаллизация. В зависимости от того, будет ли температура сплава выше или ниже точки ликвидуса, образующиеся кристаллы твердой фазы могут растворяться или продолжать расти.

В ранних работах по построению диаграмм равновесия для снятия кривых охлаждения часто применяли градиентную печь. Эта печь монтируется вертикально, и ее нагреватель намотан так, что от верха ко дну получается равномерно изменяющийся температурный градиент. Образец находится в тигле, подвешенном на тонкой проволоке. Кривые охлаждения и нагревания снимаются при опускании или подъеме образца и прикрепленной к нему термопары с постоянной скоростью. Такой метод был успешно применен в Национальной физической лаборатории в 1915-1935 гг. в работах с алюминиевым и другими сплавами. Его недостатком является то, что и в самом образце по вертикальной оси неизбежно имеется градиент. Поэтому для более точных работ лучше применять печи другого типа. На рис. 104 показана градиентная печь, которая была применена для термического анализа амальгам.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление