Расплавленный металл

К металлам относятся элементы, атомы которых имеют небольшое число сравнительно легко отделяемых валентных электронов. В твёрдых металлах между атомами возникают значительные силы взаимодействия, превращающие атомы в катионы, которые размещаются в узлах кристаллической решетки. Валентные электроны перестают принадлежать каждому атому в отдельности. Непрерывно переходя от одного атома к другому, они осуществляют связь между катионами в кристаллической решетке. Наличием таких свободных электронов объясняются специфические свойства металлов (электропроводность, теплопроводность и др.).

Жидкие металлы, не сильно перегретые выше температуры плавления, имеют примерно такую же электро- и теплопроводность, как кристаллы. Это даёт основание считать, что жидкие металлы, так же как и твёрдые представляют собой системы, состоящие из положительных ионов и свободных электронов. Однако в расплавах дальнейший порядок разрушен.

Чёрные металлы, получаемые в производственных процессах, содержат различные примеси. По форме существования в железе примеси можно разбить на следующие группы:

1. Марганец, хром, никель и др.

К этой группе относятся металлы, у которых атомные радиусы отличаются от атомного радиуса железа не более, чем на 10…15%. Они расположены с железом в одной или смежных группах периодической системы. Эти примеси обладают неограниченной растворимостью в жидком железе и высокой (часто неограниченной) в твёрдом. Они образуют с железом твёрдые растворы замещения, занимая часть узлов кристаллической решетки растворителя, и отдают свои валентные электроны, превращаясь в катионы. Поэтому считают, что в расплаве марганец, хром, никель и подобные им элементы находятся в таком же состоянии, как железо.

2. Углерод, азот, водород.

Атомы этих элементов имеют радиусы (<1 Å) значительно меньше, чем у железа (1,27 Å). При малых концентрациях они образуют с железом твёрдые растворы внедрения, размещаясь в промежутках между его атомами в кристаллической решетке. Рассматриваемые элементы с железом и другими переходными металлами образуют соединения - карбиды, нитрида, гидриды, - называемые фазами внедрения. В отличие от растворов внедрения, в которых сохраняется кристаллическая решетка металла - растворителя, фазы внедрения (соединения) приобретают иное строение.

Элементы данной группы, как в твёрдых растворах, так и в соединениях находятся в металлическом состоянии, о чем, в частности, свидетельствует высокая электропроводность фаз внедрения, такого же порядка, как у соответствующих металлов. Следовательно, и в расплавах углерод, азот и водород находятся, вероятно, в металлическом состоянии.

3. Кремний, фосфор.

Эти элементы неограниченно растворимы в жидком железе, имеют значительную растворимость в твёрдом железе ( до 19% Si, до 2,8 % Р).

При 50 ат. % Si и 33,3 ат. % Р образуются прочные соединения – силицид железа FeSi, и фосфид железа Fe₂Р, которые сохраняются и расплаве.

4. Кислород, сера.

Обладают очень малой растворимостью в твердом железе (менее 0,01 % О и менее 0,015 % S). В жидком железе кислород растворяется ограниченно (~0,23 % при 1600 ºС), сера - неограниченно. С железом эти элементы образуют прочные соединения - оксиды и сульфиды. Разница в электроотрицательности у железа и кислорода больше, чем у железа и серы. В кристаллах оксидов преобладает ионная связь, а у сульфидов повышена доля ковалентности. Растворение кислорода и серы в жидким железе тоже сопровождается значительным химическим взаимодействием. Исследования показывают, что в расплаве железа кислород и сера присутствуют в одноатомном состоянии. В расплаве железа молекулы FeO отсутствуют.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАСТВОРОВ