Способ повышения точности определения концентрации кислорода и его активности в стали методом электродвижущих сил

Описан один из перспективных способов восстановления и упрочнения штампов для горячей штамповки, основанный на явлении электрической эрозии металлов при прохождении между ними электрических разрядов.

Ключевые слова: штамповая оснастка, восстановление штампов, упрочнение штампов.

Одним из путей повышения износостойкости деталей может быть процесс борирования их рабочих поверхностей. В работе исследовалось влияния углерода на кинетику формирования боридного слоя на поверхности стальных деталей, при этом концентрацию углерода в железе определяли путем измерения активности кислорода в железе методом ЭДС. Точность определения концентрации углерода напрямую зависит от точности определения активности кислорода в железе.

Используя теорему Лагранжа, можно показать, что погрешность определения активности кислорода в стали однозначно определяется погрешностью в измерении величины электродвижущей силы электрохимической ячейки (Е), температуры стали (Т) и доли ионной проводимости твердого электролита (t_i).

Погрешность определения активности кислорода в стали можно понизить, если при расчетах исключить величину (t_i), что возможно при использовании концентрации электрохимической ячейки с одним твердым электролитом и двумя электродами сравнения.

В качестве электродов сравнения можно использовать смеси порошков Cr+Cr₂O₃ и Mo+MoO₂, активности кислорода в которых известны. Твердый электролит должен быть выполнен в виде V — образной трубки. Схема электрической ячейки в этом случае может быть представлена в следующем виде (см. ниже на рис. 1).

Для электрода сравнения Cr+Cr₂O₃ можно записать уравнение [1]:

,                                                                                                            (1)

где E_Cr — электродвижущая сила элемента (жидкое железо — твердый электролит — Сr; Сr₂O₃);

Т — температура, ;

t_i — неизвестная доля ионной проводимости твердого электролита;

 — активность кислорода в стали;

 — активность кислорода в электроде сравнения (Cr+Cr₂O₃) [1].

Рис. 1. Схема электрической ячейки: 1 — твердый электролит с неизвестной долей ионной проводимости (t_i); 2 — замазка из Al₂O₃ (порошок), замешанной на жидком стекле; 3 — электрод сравнения (Cr+Cr₂O₃); 4 — электрод сравнения (Mo+MoO₂); 5 — засыпка между двумя электродами сравнения, которая может быть выполнена из двух слоев с преимущественно ионной проводимостью (порошок ZrO₂) и с преимущественно электронной проводимостью (порошок Y₂O₃)

Для электрода сравнения Mo+MoO₂ можно записать следующее уравнение:

,                                                                                                         (2)

где  — электродвижущая сила элемента (жидкое железо — твердый электролит — Mo+MoO₂);

– активность кислорода в электроде сравнения Мо; MoO₂;

.

Так как доля ионной проводимости твердого электролита в уравнениях (1) и (2) одинакова, то разделив уравнение (1) на уравнение (2) получаем:

                                                                                                   (3)

Решая уравнение (3) относительно  получаем:

.                                                                                     (4)

Как видно из уравнения при расчете  можно исключить (t_i), т. е. можно использовать твердый электролит с неизвестной долей ионной проводимости по кислороду. Кроме этого обе электродвижущие силы (E_Cr и E_Mo) существуют независимо друг от друга и определяются только соотношением активностей кислорода в электродах сравнения.

Таким образом, в данной работе показано, что используя предложенную методику определения активности кислорода в жидкой стали можно исключить влияние доли ионной проводимости твердого электролита на точность определения  методом ЭДС. В результате уменьшается погрешность и увеличивается точность определения активности кислорода и концентрации углерода в стали.

Литература:

1.                  Термохимия сталеплавильных процессов/ Элиот Д. Ф. и др. — М.: Металлургия, 1969. — 252 с.