Қоспалардың металл қасиеттеріне әсері
Металдар беріктігімен, төзімділігімен, жоғары электрлік және жылу өткізгіштігімен және әртүрлі компоненттерге айналуының оңайлығымен кеңінен танымал. Дегенмен, бұл қасиеттер тек металдың түрімен ғана емес, сонымен қатар оның ішінде «жүретін» нәрсемен де анықталады. Қоспалар деп аталатын аз мөлшердегі бөгде заттар металдың мінез-құлқын айтарлықтай өзгерте алады. Көптеген жағдайларда бұл өзгерістер зиянды болуы мүмкін, бірақ белгілі бір жағдайларда оларды материалдың өнімділігін арттыру үшін пайдалануға болады. Бұл мақалада қоспалардың металдардың құрылымдық, механикалық, электрлік, жылулық және коррозияға төзімділік қасиеттеріне қалай әсер ететіні, сондай-ақ оларды өнеркәсіпте қолдану мысалдары қарастырылады.
Металлдардағы қоспалар дегеніміз не?
Қоспалар – металда болатын, бірақ оның қажетті құрамына кірмейтін элементтер немесе қосылыстар. Қоспалар келесі жағдайлардан пайда болуы мүмкін:
1. Өндіру процесінде толық бөлінбеген шикі кен материалдары.
2. Балқыту және құю процестері, мысалы, металл газды (сутегі, оттегі, азот) сіңіреді.
3. Жабдықтың және қоршаған ортаның ластануы, мысалы, пештің отқа төзімді материалдарынан немесе қождан шыққан бөлшектер.
4. Оттегі немесе азотты пайдаланатын дәнекерлеу сияқты озық өндірістік процестер.
5. Мұздату кезінде белгілі бір элементтер дән шекараларында немесе белгілі бір аймақтарда шоғырланған кезде бөліну.
Қоспалар бірнеше түрде болуы мүмкін: қатты ерітінділер түрінде еріген, металл емес қоспалар түрінде ұсталған, тұнба түрінде тұнбаға түскен немесе түйіршік шекараларында жиналған.
Қоспалардың металл микроқұрылымына әсері
Металдардың қасиеттеріне олардың микроқұрылымы қатты әсер етеді: түйіршік өлшемі, фазалық таралуы, дислокациялар және қосындылардың болуы. Қоспалар:
– Түйіршік өлшемінің өзгеруі: кейбір элементтер қыздыру кезінде түйіршіктің өсуін тежейді, нәтижесінде әдетте беріктікті арттыратын ұсақ түйіршіктер пайда болады.
– Жаңа фазалардың түзілуін ынталандырады: мысалы, темірдегі көміртек цементит (Fe₃C) немесе карбид фазасын түзеді.
– Сегрегацияны тудырады: кейбір элементтер түйіршік шекараларында жиналуға бейім, бұл жарықшақтану мен коррозияның әлсіз нүктелеріне айналуы мүмкін.
Басқаша айтқанда, қоспалар тек «лас» болып қана қоймай, сонымен қатар металдың қатаюына, қыздырылуына және пайдалану кезінде реакцияға түсуіне әсер етеді.
Механикалық қасиеттерге әсері: беріктік, икемділік және төзімділік
1. Қатты ерітіндіні нығайту
Қоспалар кристалдық торда еріген кезде, әртүрлі өлшемдегі бөгде атомдар тордың бұрмалануын тудырады. Бұл бұрмаланулар дислокациялардың қозғалысын тежейді, беріктік пен қаттылықты арттырады. Жалпы мысал:
– Темірдегі көміртек (белгілі бір деңгейге дейін) болаттың беріктігін арттырады.
– Мыстағы мырыш таза мысқа қарағанда берік жезді құрайды.
Дегенмен, беріктіктің артуы көбінесе икемділіктің төмендеуімен байланысты. Металлдың жарылмай пластикалық деформацияға ұшырау қабілеті төмендейді.
2. Молдану (қоспалардан туындаған сынғыштық)
Кейбір қоспалар, әсіресе түйіршік шекараларында жиналатындар, беріктіктің күрт төмендеуіне әкелуі мүмкін. Бұрын созылғыш металл, әсіресе белгілі бір температурада, сынғыш болуы мүмкін. Мысалы:
– Болаттағы фосфор мен күкірт сынғыштықты тудыруы мүмкін, себебі олар түйіршік шекараларында қосылыстар немесе бөлінулер түзеді.
– Сутегі сутегінің морт сынғыштығын тудыруы мүмкін, бұл жоғары беріктіктегі болаттың, болттардың немесе кернеулі компоненттердің кенеттен жарылуына әкелуі мүмкін.
3. Қосылу және шаршауға төзімділік
Оксидтер, сульфидтер немесе силикаттар сияқты қоспалар кернеу концентраторлары ретінде әрекет етеді. Қайталанатын жүктеме кезінде шаршау жарықтары көбінесе қоспалардан пайда болады. Нәтижесінде:
– шаршау өмірінің қысқаруы
- кенеттен істен шығу қаупі артады
Сондықтан, біліктерге, серіппелерге немесе айналмалы автомобиль компоненттеріне арналған болат әдетте қатаң тазалық бақылауын қажет етеді.
Электр және жылу өткізгіштігіне әсері
Таза металдардың өткізгіштігі жоғары, себебі электрондар салыстырмалы түрде еркін қозғала алады. Қоспалар электрондардың шашырауын арттырады, сондықтан:
- кедергінің жоғарылауы
– электр өткізгіштігінің төмендеуі
– жылу өткізгіштік жалпы алғанда төмендейді
Ең айқын мысал - мыс: жоғары тазалықтағы мыс кабельдер мен қозғалтқыш катушкалары үшін қолданылады, ал қоспалары көп мыс дәл электрлік қолданбаларға онша жарамсыз. Оттегі немесе фосфор сияқты элементтердің аз мөлшері де өткізгіштікті айтарлықтай төмендетуі мүмкін.
Дегенмен, бұл әсерді де пайдалануға болады. Нихром (Ni-Cr) сияқты қорытпалар қыздыру элементтері үшін әдейі кедергісі жоғарырақ етіп жасалады, бұл электр энергиясын жылуға тиімдірек айналдырады.
Коррозияға және тотығуға төзімділікке әсері
Коррозия - химиялық құрамы мен микроқұрылымына қатты әсер ететін электрохимиялық реакция. Қоспалар:
– Металл ішінде микрогальваникалық жұптар түзеді, коррозияны жеделдететін жергілікті анодтар мен катодтарды жасайды.
– Егер белгілі бір элементтер түйіршік шекараларында тұнбаға түссе, түйіршік аралық коррозияны күшейтеді.
– Қорғаныс пассивті қабатының тұрақтылығын өзгерту, мысалы, тот баспайтын болатта.
Мысалы, тот баспайтын болатта көміртек пен хромның таралуын бақылау қажет. Егер хром карбидтері түйіршік шекараларында тұнбаға түссе (сенсибилизация), айналасындағы аумақтарда хром жетіспейді және коррозияға бейім болады. Екінші жағынан, белгілі бір элементтердің (мысалы, молибден) бақыланатын қосылуы іс жүзінде шұңқырлы коррозияға төзімділікті арттырады.
Жоғары температурадағы жылулық қасиеттер мен мінез-құлыққа әсері
Қоспалар өзгеруі мүмкін:
- балқу температурасы және қату диапазоны
– жоғары температурадағы фазалық тұрақтылық
– сырғыма (жоғары температурадағы жүктемеге байланысты баяу деформация)
Кейбір қоспалар түйіршік шекараларын әлсірету арқылы сырғымаға төзімділікті төмендетеді, ал кейбір қорытпа элементтері тұрақты тұнбалар түзу арқылы жоғары температурада металды нығайта алады. Турбина, қазандық немесе қозғалтқыш қолданыстарында құрамды бақылау өте маңызды болып табылады.
Қоспалардың рөлі: зиянды ма, әлде пайдалы ма?
Қажетсіз қоспалар мен әдейі қосылған қоспа элементтерін ажырата білу маңызды. Кейде бір элемент бір контексте «қоспа», ал екінші контексте «қорытпа» болуы мүмкін. Мысалы:
– Көміртек таза темірдегі «қоспа», бірақ болаттағы негізгі элемент болып табылады.
– Мыстағы оттегі белгілі бір өңдеуді жақсарта алады, бірақ кейбір электрлік қолданбалар үшін зиянды.
Кілт деңгейлерді, тіршілік ету формаларын (еріген, қосындылар, тұнбалар) және таралуды бақылауда жатыр.
Өнеркәсіптік тәжірибедегі қоспаларды қалай бақылауға болады
Металл қасиеттерінің талаптарға сәйкестігін қамтамасыз ету үшін өнеркәсіп әртүрлі әдістерді қолданады:
1. Тазарту және тазарту (мысалы, күкіртсіздендіру, тотықсыздандыру).
2. Сутегі және азот сияқты еріген газдарды азайту үшін вакуумдық газсыздандыру.
3. Оксидтерді немесе қажет емес қосылыстарды байланыстыру үшін флюс пен шлак бақылауын қолдану.
4. Жауын-шашын мен бөлінуді бақылау үшін жылумен өңдеу.
5. Қоспалар мен кеуектілікті азайту үшін құю процесін басқарыңыз.
6. Қоспаның максималды шектерін анықтайтын құрам стандарттары (ASTM, JIS, ISO).
Қорытынды
Қоспалар металдардың қасиеттерін анықтауда маңызды рөл атқарады. Аз мөлшерде олар қатты ерітіндіні нығайту немесе түйіршіктерді тазарту арқылы беріктікті арттыра алады, бірақ сонымен қатар олардың түрі мен таралуына байланысты икемділікті, беріктікті, шаршау мерзімін, өткізгіштікті және коррозияға төзімділікті төмендетуі мүмкін. Сондықтан, қазіргі заманғы металлургиялық технология тазарту және микроқұрылымдық өңдеу арқылы қоспаларды қатаң бақылауға бағытталған. Сайып келгенде, қоспалардың әсерін түсіну бізге белгілі бір қолдану үшін дұрыс материалды таңдауға көмектеседі: жоғары өткізгіштігі бар мыс сымдарынан бастап берік құрылымдық болаттарға және экстремалды ортаға арналған ыстыққа төзімді қорытпаларға дейін.
Қаласаңыз, мен бұл мақаланы академиялық нұсқаға бейімдей аламын (дәйексөздермен) немесе электрлік қолданбалар үшін күкірттің болатқа, сутегінің жоғары беріктіктегі болатқа немесе оттегінің мысқа әсері сияқты нақты жағдайларды қоса аламын.
