РАСТВОРЕНИЕ ВОДОРОДА

На основании данных об изменении растворимости водорода в железе (рис. 12.3) можно сделать следующие выводы: 1) растворимость водорода возрастает при повышении температу­ры и уменьшается при ее снижении; 2) растворимость в различных моди­фикациях железа неодинакова; 3) при переходе железа из жидкого состояния в твердое и из одного аллотропическо­го состояния в другое растворимость изменяется скачкообразно. В реаль­ных производственных условиях чис­тый водород Н₂ в атмосфере практи­чески отсутствует, но всегда имеется какое-то количество паров Н₂О в ат­мосфере и влаги в шихтовых и доба­вочных материалах. Эксперименталь­но установлено, что содержание водо­рода в металле по ходу плавки зависит от парциального давления Н₂О в ат­мосфере: [H]=К' р_н2О. При одинако­вой технологии выплавки содержание водорода в стали, выплавленной в пе­риод влажных летних дней, может быть выше, чем в период морозных зимних дней, когда атмосферная влажность существенно ниже. Ско­рость растворения газов в металле за­висит от многих факторов: агрегатно­го состояния и состояния поверхности металла, его кристаллической струк­туры, давления газов, температуры, от размеров молекул (атомов) растворя­ющегося газа.

Водород в жидком железе находит­ся в виде протона Н⁺, т. е. в виде час­тиц очень малых размеров. Скорость миграции таких частиц в расплавлен­ном железе очень велика. В жидком металле скорость растворения водоро­да выше, чем в твердом. В твердом со­стоянии проницаемость металлов для газов определяется кристаллической структурой металла. Например, -Fe

Рис. 12.3.Растворимость водорода в жидком железе

более проницаемо для водорода, чем -Fe, так как полости, соединяющие соседние междоузлия (поры) в про­странственно-центрированной решет­ке -Fe, больше полостей в гранецент-рированной решетке -Fe (сами же поры, наоборот, шире в решетке -Fe, с чем и связана большая раствори­мость газов в железе этой модифика­ции, а также в сталях и сплавах, имею­щих аустенитную структуру). Нали­чие в стали различных примесей (уг­лерода, марганца, кремния и др.) изменяет растворимость газов в твер­дом и жидком металле, в частности в железе. Например, введение углерода приводит к понижению растворимос­ти в нем газов, так как углерод зани­мает то пространство в решетке желе­за, в котором могут размещаться ато­мы других неметаллов. Легирующие присадки, расширяющие область у-фазы, например титан, ванадий, хром, способствуют увеличению ра­створимости газов, поскольку в гране-центрированной решетке этой фазы возможность растворения газа повы­шается. Присадки, стабилизирующие a-фазу, например углерод, кремний, алюминий, приводят к уменьшению растворимости газов. Влияние приме­сей на растворимость водорода в рас­плавленных двойных сплавах железа показано на рис. 12.4.

По влиянию на растворимость во­дорода в жидком железе элементы-примеси металла можно разделить на три группы: 1) повышающие раство­римость водорода (титан, неодим, цирконий, торий, церий, лантан, ва­надий (до 6 %)) и образующие с водо­родом соединения, прочные при низ­кой температуре; 2) снижающие ра­створимость водорода

Рис. 12.4.Растворимость водорода в сплавах железо-легирующий элемент R при нор­мальном давлении и температуре 1600 °С

(углерод, кремний, алюминий) и имеющие в раство­ре более сильные связи с железом, чем связи водорода с железом; 3) слабо­влияющие на растворимость водорода (никель, кобальт, марганец, молиб-лен, хром); влияние этих элементов на растворимость водорода может прояв­ляться лишь при высоких их концент­рациях (высоколегированные стали).