Rozpuszczalność graniczna węgla w żelazokrzemochromie

(1)

Seria: HUTNICTWO z. i e Nr kol. 606

Remigiusz SOSNOWSKI, Oerzy LATUSEK Instytut Metalurgii

Politechnika śląska, Katowice

ROZPUSZCZALNOŚĆ GRANICZNA WĘGLA W 2ELAZ0KRZEM0CHR0MIE

Streszczenie. Za pomocą równania, uwzględniającego także oddzia

ływania drugiego rzędu, określono wpływ składu chemicznego na roz

puszczalność węgla w roztworze Fe-Cj,^ - Cr-Si w warunkach stałej temperatury. Scharakteryzowano rozpuszczalność węgla w żelazokrze- mochromie w zakresie stężeń [%Cr] ■ 10-50, [|6SiJ = 5 - 40 w T =

= 1973 K. Wyniki obliczeń przedstawiono na wykresach.

1. WSTĘP

Węgiel wykazuje ograniczoną rozpuszczalność w żelazie i Jego stopach z innymi pierwiastkami. W warunkach stałego ciśnienia i stałej temperatury rozpuszczalność graniczna węgla w ciekłym roztworze z żelazem zależna jest od stężeń pierwiastków, występujących w rozpatrywanym roztworze.

Wpływ pierwiastków na stan nasycenie węglem roztworu o niewielkim za

kresie stężeń dodatków może być określsny sposobem zaproponowanym przez H. Schencka i współpracowników (l, ¿J . W roztworach o dużych stężeniach dodatków, Jakimi są np. żelazostopy, do spisu rozpuszczalności granicznej węgla w roztworach stosuje się na ogół empiryczne równania, których po

stać zależna Jest od charakteru zmian występujących w roztworach [3,4,5].

2. CEL I ZAKRES PRACY

Celem niniejszego opracowania jest określenie rozpuszczalności gra

nicznej węgla w ciekłym żelazokrzemochromie, przy wykorzystaniu metody przedstawionej przez autorów w [6, 7] . Metoda ta opiera się na szeregu Maclaurina dla funkcji wielu zmiennych, uwzględniając oddziaływania pier

wszego i drugiego rzędu występujące w roztworze. Przeprowadzone badania wykazały, że sposób ten może być także stosowany do opisu rozpuszczalno

ści granicznej węgla w roztworach o dużym stężeniu dodatków. Wymienioną metodą określono pierwszego i drugiego rzędu parametry zmiany rozpusz

czalności węgla w roztworach Fe-C - Cr, Fe-C - Si 1 Fe-C_ - Cr -

m8X max max

- Si, badanych przez autorów ¡4, 5] w temperaturach 1973 K. Uzyskane wy

(2)

126 R. Sosnowski, 3. Latusek

niki obliczeń opracowano w formie wykresów obejmujących swym zakresem stę

żeń produkowany w skali przemysłowej żelazokrzemochrom.

3, WPŁYW CHROMU I KRZEMU NA ROZPUSZCZALNOŚĆ WĘGLA W ROZTWORACH Fe-C

^ max

- Cr 1 Fe - Cmax - Si W TEMPERATURZE T = 1973 K

Zależność pomiędzy stężeniem nasycenia węglem, a zawartością dodatków w ciekłym roztworze można wyrazić równaniem [6, t] :

l n l * 3 . a * = l n M m a x ’ E # ] ' V '

j =2 j=2

- ¿ Ż wck M [ ^ k]

j-2 k=2 3+k,

gdzxu:

lnj%(5j°ax “ rozpuszczalność graniczna węgla w roztworze dwuskładniko wym Fe - C = f(p,T),

Wjl r pierwszego rzędu parametr zmiany rozpuszczalności węgla w roztworze,

- drugiego rzędu parametr zmiany rozpuszczalności węgla w roztworze,

jk

W£ - drugiegcr rzędu krzyżowy parametr zmiany rozpuszczalności

W odniesieniu do roztworu trójskładnikowego F e - C - Cr zależność max

węgla w roztworze, iu do

(l) przyjmie postać:

ln M max “ ln [*C] max " Wc" & Crl “ ^ & Cr3 2 <2 >

a dla roztworu F e - C - Si:

max

ln [*C] max " ln M max ' ^

I*Si]

" "c"31 & SiH 2 - <3>

Na rys. 1 przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych rozpuszczalności węgla w roztworach Fe - C „ . - Cr • i Fe - C „ - Si wykonanych w tem-

max max 1 1

peraturze 1973 K, opublikowanych w |4] . Danymi tymi posłużono się w celu wyznaczenia wartości parametrów zmiany rozpuszczalności węgla w roztwo

rach Fe - C max - Cr i Fe - C - Si w temperaturze 1973 max r K. Wartości parametrów zestawiono w tablicy 1.

(3)

l'/-Cr]: ['/.Si]

Rys. 1. Rozpuszczalność graniczna węgla w trójskładnikowych roztworach z żelazem;

krzywa 1 - roztwór Fe - Cmax - Cr, T « 1973 K [4j , krzywa 2 - roztwór Fe - C max - Si, T ■ 1973 K [4] L J

Tablica 1 Parametry zmiany rozpuszczalności węgla

w roztworach żelaza z krzemem i chromem w T = 1973 K

Roztwór

Tem

pera

tura K

Parametry Współ

czynnik kore- lacj i

» C r W CrCr C

w Si c

SiSi c Fe—C — Cr

max 1973 -1,38.10~2 8,06.10"5 - - 0,999

Fe-Cm=v“S1max 1973 - - 6,71.10-2 8,39.10“4 0,996

Fe—C —Cr—Si

max 1973 -2,47.10"2 1,41.10~4 1,44.10"2 1,97.10"3 0,993

4, ROZPUSZCZALNOŚĆ GRANICZNA WĘGLA W ROZTWORACH Fe - C - Cr - Si W TF.M-

^ max

PERATURZE T = 1973 K

Zgodnie z (i) w czteroskładnikowym roztworze Fe - Cmgx - Cr - Si roz

puszczalność graniczna węgla wyrazi się równaniem:

(4)

l n [*C] m a x ■ ł"[%C] m a x - «c" & CrJ " Wcr C r L^Cr] 2 - -

- W ^ 1 S i |^Sl]?- - W § r S 1 [*Cr] [¿Si] - W ® i C r [%Si] [%cj , __ (4)

Znajęc temperaturę roztworu oraz wartości pierwszego i drugiego rzędu pa

rametrów zmiany rozpuszczalności występujących w równaniu (4) można obli

czać rozpuszczalność węgla w żelazokrzemochromie, w zależności od stęże

nia chromu i krzemu w stopie. W niniejszej pracy, dla określenia rozpu

szczalności granicznej węgla w żelazokrzemochromie, posłużono się warto

ściami parametrów zmiany rozpuszczalności obliczonymi w roztworach trój

składnikowych oraz parametrami wyznaczonymi w oparciu o wyniki badań na

sycenia węglem roztworów czteroskładnikowych Fe - Cmax - Cr - Si w za

kresie stężeń [%Crj ■ 5-50 i |%Si] =» 5-40 w temperaturze 1973 K [5j , zestawionymi w tablicy 1.

Wyznaczone wartości parametrów zmiany rozpuszczalności posłużyły do określenia rozpuszczalności granicznej węgla w roztworach ciekłych Fe -

Cmex “ Cr “ Si " wymienionym zakresie stężeń, w temperaturze 1973 K.

Na rys. 2 w przestrzennym układzie współrzędnych prostokętnych przed

stawiono rozpuszczalność granlcznę węgla w żelazokrzemochromie, w zależ

ności od stężenia chromu i krzemu w roztworze. Zbiór punktów tworzęcych w przestrzeni trójwymiarowej powierzchnię przedstawiajęcę nasycenie węglem stopu Fe - Cmax - Cr - Si określony został za pomocę równania (4) w za

kresie stężeń chromu J%Crj = 10-50 i |%Si] - 5-10 w temperaturze 1973 K.

Linię cięgłę oznaczono krawędzie powierzchni określonej przy wykorzysta

niu parametrów wyznaczonych w roztworze czteroskładnikowym Fe - Cmax - Cr - Si, w oparciu o dane £5]. Linię przerywanę oznaczono krawędzie po

wierzchni określonej przy wykorzystaniu parametrów wyznaczonych w roztwo

rach trójskładnikowych Fe. - Cmax - Cr i Fe - Cmax - Si £4^], zgodnie z zesedę addytywnoścl.

Rys. 2 wskazuje, że wzrost stężenie chromu w roztworze zwiększa różni

cę pomiędzy stężeniem nasycenia węgla w żelazokrzemochromie, określonym na podstawie danych roztworu czteroskładnikowego, a rozpuszczalnościę gra- nicznę węgle obliczonę zgodnie z zasadę addytywnoścl, w oparciu o parame

try wyznaczone w roztworach| trójskładnikowych.

Do praktycznego znajdowania rozpuszczalności granicznej węgla w roz

tworze Fe - Cmax - Cr - Si w badanym zakresie stężeń w temperaturze 1973 K może służyć rys. 3, przedstawiajęcy rzut powierzchni określajęcej rozpu

szczalność granlcznę na płaszczyznę [%Si] - [|c]a a x .

Rys. 4 jest powiększony fragmentem rys. 1 przedstawiajęcym stężenie na

sycenia węglem żelazokrzemochromu w zakresie stężeń produkowanych w skali przemysłowej stopów Fe - Cmex - Cr - Si. Punktami oznaczono obliczone wartości rozpuszczalności granicznej. w ę g l a , odpowiadające danej zawartości chromu i krzemu w roztworze, krzyżykami oznaczono stężenia węgla, wystę- pujęce w badanych próbach.

(5)

Rys. 2. Rozpuszczalność graniczna węgls w roztworze F® " Cmax ~ Cr " Si w T a 1973 K w zakresie stężeń

[SjCr] - 104-50, J%Sl| = 5 - 4 0

frsij

Rys. 3. Wpływ krzemu na rozpuszczalność granlcznę węgla w roztworze Fe - C - Cr - Si w T »

max

= 1973 K w zakresie stężeń |^Sl] » 54-40

zpuszczalność granicznawęgla...

(6)

Rys. 4. Rozpuszczalność graniczna węgla w żelazo- krzemochromie w T « 1973 K w zakresie stężeń

[%Cr] » 30^50, j%Si] <= 20-40

Wo

fu. Si]

Rys. 5. Wpływ krzemu na rozpuszczalność granicznę węgla w żalazokrzemochromie w T = 1973 K w zakre

sie stężeń (35sg = 20r40

R.Sosnowski, 3.Latusek

(7)

Na rysunku 5 pokazano rzut powierzchni określającej rozpuszczalność gra

niczną węgla, przedstawioną na rys. 4, na płaszczyznę [%Si] - P^jmax"

Zależności te mogą służyć do celów praktycznych.

Przedstawione dane i wykresy mogą być wykorzystane do określenia gra

nicznej zawartości węgla w produkowanych stopach żelazokrzemochrom, gdy znane są warunki termodynamiczne procesu produkcyjnego oraz przewidywane stężenie chromu i krzemu w stopie.

5. WNIOSKI

1. Stwierdzono, że stężenie nasycenia węgla w roztworach . Fe - CBax - - Cr - Si można z wystarczającą dokładnością opisać za pomocą ogólnej zależności (i).

2. W stałej temperaturze, w zakresie składów chemicznych produkowanych w skali przemysłowej etopów żelazokrzemochrom o rozpuszczalności grani

cznej węgla w stopie najsilniej decyduje zawartość krzemu, która wpływa na obniżenie rozpuszczalności granicznej.

LITERATURA

O d Schenck H., Neuman F.: Archiv. Eisenhuttenwessen, 1959, t„ 30 nr 8, SS. 477-483.

p j Neuman F . , Schenck H . , Patterson W . : Giesserel Techn. Wissen Beihef

te, 1959, nr 23, se. 1217-1256.

p j Geld P.W., Baum B.A. , Pietruszewskij M . S . : Rasspławy fierrospławnowo proizwodstwa, Mietałłurgia, Moskwa 1973, ss. 246-258.

[4] Pietruszewskij M.S. , Geld P.W. s Żurnał Prikładnoj Chimii, 1959, t.

32, ss. 86-94.

[5] Pietruszewskij M.S. , Geld P.W. : Żurnał Prikładnoj Chimii, j.962, t.35, 88. 233-242, 1227-1236.

[6] Sosnowski R., Latusek O . : Hutnik, 1977 w 10, ss. 434-438.

[7] Sosnowski R . , Latusek 0.: Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej Hut

nictwo z. 14, se. 15-25, Gliwice 1978.

nPBÄEJIfaHAfl PAOIBOPHMOCT b yrjIH B SEJIE30KPEMHEXP0MB

P e 3^{» m e}

IIp H n o M o ą ja y p a B B e H o a , yHHimaiomero sose B 0 3 A e i ł 0 T B H a B i o p o r o p a . u a , o n p e - SSAGho B J H ta H H e ,x H M H < ie c jc o ro o o o i a B a H a p a c T B o p H u o o T B yras b p a o T B O p e Fe- CHaK0 “ Cr-Si b y e w B H O n o c i O H H H o ä T e M n e p a i y p N . IIp h b o^h t c h x a p a K t e p n c i K K a p a c T B o p K M o e T H y r j i H b x e J i e s O K p e U H e x p o u e b n p e a e j i e KOHU,eHT p a u z a ( ? t ó r ) = 10-50, (% Si) = 5-40 b T = 1973 K. P e s y i i Ł i a i u p a c a e i O B noKa3aHH H a Ä H a r p a m i a x .

(8)

THE BOUNDARY SOLUBILITY OF CARBON IN FERROSILICOCHROMIUM

S u m m a r y

The influence of the chemical composition on the carbon solubility in Fe - C - Cr - Si in the constant temperatura conditions has been de-

max ,

termined by means of the equation taking into account also the second gra- de interactions. The solubility of carbon.in solicon-ferrochromium in the range of concentrations (%Cr) equal to 10-50, (%Si) equal to 5-40 in 1 equal to 1973 K, was characterized.

The calculation results were displayed on diagrams.