Окисление металлов в динамическом режиме

Существенным недостатком большинства методов, применяемых для исследования предпламенного окисления металлов, и данных, полученных этими методами, является то, что окисление металлов изучается в изотермических условиях, в то время как в реальных условиях предпламенное окисление, воспламенение и горение металлов протекают сугубо неизотермически. Надо учитывать, что с изменением температуры существенно изменяется и течение процесса окисления. Если при комнатной температуре большинство металлов окисляется по логарифмической зависимости, то с ростом температуры меняются защитные свойства оксидной пленки и соответственно меняется и закон окисления: от логарифмического к линейному. Поэтому большой интерес представляют данные по окислению металлов, полученные в неизотермических условиях.

Для исследования окисления металлов в неизотермических условиях разработан специальный метод. Для оценки скорости роста оксидной пленки на металлических частицах в условиях динамического нагрева применено микрофотографирование частиц. Установка показана на рис. 2.1. Металлические частицы размером 0,1−0,5 мм помещают на графитовую пластинку, нагреваемую со скоростью от 20 до 90°С/с. Температура пластинки-нагревателя фиксируется термопарой, а перепад температур между пластинкой и частицей определяется заранее при наблюдении за плавлением частиц с известными температурами плавления.

Поведение частиц исследуемых металлов в процессе нагрева изучается при помощи их фотографирования камерой РФК-5 под оптическим микроскопом МБС-2. Наблюдается и регистрируется изменение размера и формы частиц, структуры их поверхности. После опыта частицы измеряют и взвешивают.

Рис. 2.1. Схема установки для исследования роста окисных пленок на частицах металлов:

1 — кинокамера РФК-5; 2 — микроскоп МБС-2; 3 — нагревательная ячейка (а — пружина; б — держатель; в — асбестовая втулка; г — медный токопровод; д — медный держатель; е — графитовая пластинка); 4 — термопары; 5 — потенциометр; 6 — быстродействующий самописец H373−1; 7 — универсальный блок питания Описанным методом авторы исследовали процесс окисления алюминия, магния, циркония, титана. Оценивались скорость роста оксидной пленки (по изменению размера частицы) (рис. 2.2) и поведение частиц.

Рис. 2.2. Зависимость роста оксидной пленки на частицах металлов от температуры нагревания в воздухе (диаметр частиц — 0,2 мм, скорость нагревания — 30°С/с).

Частица алюминия при нагреве до 500 К существенно не изменяется, затем в интервале 500−800 К идет заметный рост оксидной пленки. При температуре 900−1000 К происходят растрескивание пленки и вздутие частиц, связанное с разницей в степени теплового расширения металла и оксида и с увеличением объема металлической фазы при плавлении. Вследствие возникновения внутренних напряжений частицы двигаются по поверхности нагревателя.

В интервале 1000−1200 К продолжается растрескивание частиц, которое сопровождается вытеканием металла через трещины в оксидной пленке.

Частица магния при нагревании значительно увеличивает размер. Окисление протекает по линейному закону (j < 1). При температуре 640−660 К начинается пульсирующее изменение размера частиц, когда наряду с продолжающимся увеличением частицы может происходить и ее уменьшение. Такая пульсация, по-видимому, вызвана испарением металла. С ростом температуры амплитуда пульсации увеличивается.

Частицы циркония и титана при нагревании ведут себя весьма похоже. Вследствие растворимости оксидов в металле окисление не тормозится с ростом количества образовавшегося оксида (кроме низких температур — до 500 К, когда растворимость оксида в металле весьма мала). Реакция окисления протекает весьма интенсивно, о чем свидетельствует свечение частиц, начинающееся с 570 К для циркония и с 650 К для титана. При дальнейшем нагревании происходит значительный рост оксидной пленки, однако большая теплоотдача в окружающую среду препятствует переходу гетерогенной реакции в интенсивное горение. Термические напряжения приводят к растрескиванию и частичному разрушению окисной пленки.