Раствор фосфора в жидком железе и его сплавах
При низких температурах существуют фосфиды Fe3P, Fe2P, FeP и FeP2.
На диаграмме состояния сплавов Fe–P (рис. 10) имеется максимум, свидетельствующий о том, что наиболее устойчивым в жидком металле является фосфид Fe2P (21,8 масс. долей, % Р). Это подтверждено и в опытах О.А. Есина и его сотрудников. При [%Р] = 21,8 резко падает ЭДС высокотемпературного гальванического элемента, со-стоящего из двух электродов (I — 24%-й раствор фосфора в железе; II — раствор фосфора переменной концентрации в железе), погруженных в электролит, содержащий СаO, MgO, SiO2 и фосфаты кальция и магния.
Наличием относительно крупных молекул Fe2P в расплаве объясняется сравнительно медленная диффузия фосфора в жидком металле.
Фосфор — поверхностно-активный компонент. При малом со-держании кислорода в металле Р резко снижает поверхностное натя-жение расплава и уже при [%P]=0,05 достигается максимум адсорбции 3,8*10-14 моль/м2. На каждый атом фосфора в насыщенном слое приходится площадь, достаточная для молекулы Fe2P:
нм2,
где 6,023*1023 = NA — число Авогадро, атомов (молекул)/моль.
Рис. 10. Диаграмма состояния сплавов железо-фосфор (а) и кривая электродвижущей силы концентрационного элемента на фосфористых сплавах (б): L — жидкая фаза; a, y, Fe3P, Fe2P, FeP — твердые фазы (данные В.И. Явойского, О.А. Есина и П.В. Гельда)
Фосфор адсорбируется в поверхностном слое металл-шлак или металл-газ. Марганец снижает поверхностную активность фосфора (за счет образования соединения Mn5P2). Прочная связь фосфора с марганцем приводит к понижению коэффициента активности фосфора и уменьшает его способность к окислению. Наличие прочного соединения Mn5P2 подтверждается острым максимумом на диаграмме состояния Mn-P при 18,4 масс. долей, %Р.
Растворимость фосфидов велика в жидком и весьма мала в твердом железе, что приводит к образованию на границах зерен твердых фаз, вызывающих хрупкость металла при низких температурах (явление “хладноломкости”).
При увеличении содержания алюминия в стали (до 0,05…0,10 масс. долей %) образуются прочные фосфиды AlP с температурой плавления около 17000С. Они кристаллизуются в первую очередь и поэтому выделяются не по границам зерен, а в их центрах. Этим отчасти объясняется благотворное влияние алюминия на свойства сталей, содержащих более 0,05 масс. долей % фосфора [54].
