ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ: ЖЕЛЕЗО-НИКЕЛЬ-ТИТАН- АЗОТ И НИКЕЛЬ-ХРОМ-ТИТАН-АЗОТ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Вестник Курганской ГСХА. 2022. № 3 (43). С. 64-70 Vestnik Kurganskoj GSHA. 2022; (3-43): 64-70

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Научная статья

УДК 669.018.95

DOI: 10.52463/22274227_2022_43_64

EDN: YHKWEL

Код ВАК 4.3.1

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ: ЖЕЛЕЗО-НИКЕЛЬ-ТИТАН-

АЗОТ И НИКЕЛЬ-ХРОМ-ТИТАН-АЗОТ

Леонид Михайлович Савиных1Н, Татьяна Александровна Дудорова2, Станислав Юрьевич

Помялов3, Татьяна Владиславовна Корнюшева4

1 2 3 4Курганский государственный университет, Курган, Россия

1sav¡n¡h_LM.polytech@kgsu.шн, https://orcid.org/0000-0003-1335-2980

2dudorovatan@yandex.ru

3pom¡alov_45@ma¡l.ru

4kornuseva@yandex.ru

Аннотация. Цель исследования. Сельскохозяйственные машины работают в трудных условиях. Пыль, грязь, снег, дождь, попадая в трущиеся узлы, вызывают усиленный механический износ. В результате этих причин детали и целые узлы теряют свою первоначальную прочность и преждевременно выходят из строя, чем наносится большой материальный ущерб сельхоз производителям. Методика. Поэтому важным вопросом является разработка и последующее изготовление деталей сельскохозяйственной техники, обладающих комплексом свойств: высокой твердостью, прочностью, изностойкостью и способностью противостоять абразивному износу и при этом не быть дорогостоящими в изготовлении. Изготовление деталей из металлических порошков, а точнее из карбидосталей, вместо применяемых материалов является актуальной задачей и перспективной. Карбидосталями называют материалы, состоящие из легированных сталей или металлических порошков и карбидов с массовой долей от 20 до 70 %. В качестве твердой составляющей для карбидосталей применяют карбид титана, как наиболее распространенный и наиболее дешевый. По своим механическим свойствам карбидостали занимают промежуточное место между твердыми сплавами и сталями. Порошковые детали (карбидостали) получают следующими способами: 1) замешиванием различных металлических порошков совместно с пластификатором и последующим прессованием в пресс-форме; 2) получение порошковых деталей пропиткой. Результаты. Исследован процесс формирования карбидного каркаса обеспечивающий получение прочных карбидных прессовок с сохранением размеров в процессе пропитки при получении готового изделия. Полученные детали имели высокие механические свойства. Научная новизна. Впервые получены изделия пропиткой отходами стали определенного химического состава, обеспечивающими свободное отделение оставшегося металла после пропитки и сохраняющие форму детали. Проведенный термодинамический анализ позволяет определить необходимое содержание легирующих элементов стали, применяемых для изготовления детали.

Ключевые слова: спекание, пропитка, металлические порошки, отходы металла, прессовка, изделие, прессование, плотность, карбидостали.

Для цитирования: Савиных Л.М., Дудорова Т.А., Помялов С.Ю., Корнюшева Т.В. Термодинамический анализ систем: железо-никель-титан-азот и никель-хром-титан-азот // Вестник Курганской ГСХА. 2022. № 3 (43). С. 64-70. https://doi.org/10.52463/22274227_2022_43_64

Scientific article

THERMODYNAMIC ANALYSIS OF THE SYSTEMS: FERRUM-NICKEL-TITANIUM-NITROGEN

Leonid M. Savinykh1^, Tatyana A. Dudorova2, Stanislav Yu. Pomyalov3, Tatyana V. Kornyusheva4 1, 2, 3, 4Kurgan State University, Kurgan, Russia

1 savinih_LM.polytech@kgsu.ruH, https://orcid.org/0000-0003-1335-2980

2dudorovatan@yandex.ru

3pomialov_45@mail.ru

4kornuseva@yandex.ru

Abstract. The purpose of the study. Agricultural machinery operates in difficult conditions. Dust, dirt, snow, rain getting into the friction surface units cause increased mechanical wear. As a result of these reasons, parts and entire units lose their initial strength and fail prematurely, causing great material damage to agricultural producers. Methodology. Therefore, an important issue is the development and subsequent manufacture of agricultural machinery parts with a complex of properties: high hardness, strength, wear resistance and the ability to resist abrasive wear and at the same time not be expensive to manufacture. The manufacture of parts from metal powders, or rather from carbidosteels, is an urgent and promising task. Carbidosteels are materials consisting of alloyed steels or metal powders and carbides with a weight fraction of 20 to 70 %. Titanium carbide is used as a solid component for carbide steels, being the most common and cheapest. According to their mechanical properties, carbide steels occupy an intermediate place between hard alloys and steels. Powder parts (of carbidosteels) are prepared by the following methods: 1) mixing various metal powders together with a plasticizer and then being pressed in a mold; 2) fabricating powder parts by impregnation. Results. The process of carbide carcass formation is investigated to provide manufacturing strong carbide compacts preserving the dimensions during impregnation when obtaining the finished product. The obtained parts had high mechanical properties. Scientific novelty. For the first time, the parts were obtained by impregnation with steel wastes of a certain chemical composition, which ensure free separation of the remaining metal

AND NICKEL-CHROME-TITANIUM-NITROGEN

© Савиных Л.М., Дудорова Т.А., Помялов С.Ю., Корнюшева Т.В., 2022

after impregnation and keep the shape of the parts. The thermodynamic analysis performed makes it possible to determine the required content of alloying steel elements used to manufacture the part.

Keywords: sintering, impregnation, metal powders, metal waste, compact, part, pressing, density, carbidosteels.

For citation: Savinykh L.M., Dudorova T.A., Pomyalov S.Yu., Kornyusheva T.V. Thermodynamic analysis of the systems: ferrum-nickel-ti-tanium-nitrogen and nickel-chrome-titanium-nitrogen. Vestnik Kurganskoj GSHA. 2022; (3-43): 64-70. https://doi.org/10.52463/22274227_20 22_43_64. (In Russ).

Введение. Концентрации титана, обеспечивающие образования нитридов титана в расплаве железо-никель-титан-азот, определялись равновесными параметрами реакции [1-2].

TieFe_Ni + — N2aa3 — TiNTB\

Кг =

fb: JTi

Fe-Ni

X

Ti

p0,5

■ n9

(1) (2)

Учитывая (AG® = представить в виде:

-RTlnK) уравнение (2) можно

lnPN, =

Gг ■ ■ П'п1п/:П ■ уГППД" т 05RT '

(3)

После подстановки в уравнение (3) по AG® и fn~Nl поданным работ [3] получаем:

in /V =

-36831 + WJ4T + (13,89^ + 4,39Х|е) • 103

+

+

(10MXmXFe + 7,83Xm:Xl)

103

- 2lgXTi' (4)

Решая уравнение (4) совместно с уравнением

можно найти парциальное давление азота, обеспечивающее выделение нитрида в сплавах Fe-№. Пусть

(10МХт ■ XFe + 7,S3XNi ■ Х}е) • 103 =

в, тогда

LgPN?

-36831 + 10,747 + а + в

21дХп. (6)

Методика. Весь процесс карбидостали можно разбить на три основных этапа: подготовка карбидного каркаса, пропитка его стальным расплавом, термическая обработка полученной карбидостали.

В качестве основного износостойкого материала был выбран карбид титана, а в качестве стальной связки нержавеющая хромо-никелевая аустенитная сталь 12Х18Н10Т.

Данный способ пропитки неспеченного кар-

бидного каркаса отходами сталей, которые с одной стороны, устраняет разъедание каркаса, а с другой обеспечивает свободное удаление остатков пропитывающего материала с поверхности готового изделия требует достаточно корректных данных об условиях выделения твердых частиц нитрида титана из жидких сплавов на основе железа и никеля. Для получения таких данных был сделан термодинамический анализ систем, результаты которого достаточно точно указывают условия выделения нитрида титана из расплавов разного химического состава.

Результаты. Равновесные парциальные давления азота, обеспечивающие образование нитрида титана в жидких сплавах железо-никель-титан разного состава при температурах 1723-1773 К, приведены в таблицах 1 и 2.

Сделанные расчеты показывают, что выделение нитрида титана из сплавов железо-никель, содержащих больше 10 % никеля, происходит при значительных парциальных давлениях азота, причем, с повышением содержания никеля в расплаве парциальное давление азота значительно возрастает. В связи с этим, для обеспечения выделения нитрида титана из жидких сплавов железо-никель необходимо производить пропитку карбидного каркаса в атмосфере азота. После подстановки в уравнение (6) РЫ2 = 1 ат. можно найти концентрации титана, обеспечивающие выделение нитридов из сплавов железо-никель различного состава в атмосфере азота. Расчет равновесных концентраций титана при 1723-1773 К приведен в таблице 3. На рисунке показаны равновесные концентрации титана, обеспечивающие образование нитридов в зависимости от содержания никеля в расплавах Fe-Ni, при 1723, 1743, 1773 К и РЫ2 = 1 ат.

Равновесное процентное содержание титана в сплавах [Л, %] рассчитывали из известного соотношения:

%Ti —

[Ti,%] 48

[77,%] | [Ni,%] | [Fe, %]

(7)

48 1 59 56 После преобразования (7) получим

[Ti,%] =

(0,8571 [Fe, %] + 0,8136[Ni,%]) ■ XTi

1-Х-

Ti

-.(В)

Таблица 1 - Равновесные парциальные давления азота, обеспечивающие образование нитрида

титана в системе железо-никель при 1723 К

Состав сплава, % Состав сплава, молярные доли а в -21дХТ! др^ Р2 атм

Рв N Т Рв К- N1 ХТ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

89,9 10,0 0,1 0,9032 0,0956 0,0012 3708 1512 5,8416 -1,7649 0,01712

89,5 10,0 0,5 0,8986 0,0955 0,0060 3631 1500 4,4436 -3,2146 0,00061

89,0 10,0 1,0 0,8828 0,0955 0,0117 3626 1486 3,8636 -3,8056 0,00015

79,9 20,0 0,1 0,8067 0,1921 0,0012 3369 2596 5,8416 -1,3325 0,04651

79,5 20,0 0,5 0,8021 0,1920 0,0059 3337 2575 4,4582 -2,7467 0,00179

79,0 20,0 1,0 0,7965 0,1918 0,0117 3295 2547 3,8490 -3,3965 0,00040

59,9 40,0 0,1 0,6108 0,3860 0,0012 3729 3608 5,8416 -0,5362 0,29090

59,5 40,0 0,5 0,6063 0,3878 0,0059 3712 3571 4,4582 -1,9509 0,01121

59,0 40,0 1,0 0,6007 0,3874 0,0118 3672 3527 3,8562 -2,6017 0,00250

49,9 50,0 0,1 0,5113 0,4875 0,0012 4449 3600 5,8416 -0,1230 0,75280

49,5 50,0 0,5 0,5069 0,4872 -0,0059 4424 3558 4,4582 -1,5453 0,02849

49,0 50,0 1,0 0,5013 0,4867 0,0119 4394 3508 3,8490 -2,2009 0,01712

39,9 60,0 0,1 0,4109 0,5879 0,0012 5542 3299 5,8416 0,3367 2,17100

39,5 60,0' 0,5 0,4065 0,5875 0,0060 5520 3253 4,4436 -1,1008 0,08000

39,0 60,0 1,0 0,4010 0,5370 0,0120 5492 3196 3,8416 -1,7521 0,01770

19,9 80,0 0,1 0,2070 0,7918 0,0012 8896 1977 5,8416 1,5160 32,81000

19,5 80,0 0,5 0,2027 0,7912 0,0060 8875 1929 4,4436 0,0780 1,19700

19,0 80,0 1,0 0,1973 0,7905 0,0121 8851 1869 3,8344 -0,5800 0,26300

0 99,9 0,1 - 0,9988 0,0012 13857 - 5,8416 3,2479 1770,00

0 99,5 0,5 - 0,9939 0,0061 13721 - 4,4294 1,7567 57,11

0 99,0 1,0 - 0,9877 0,0122 13550 - 3,8272 1,0553 11,36

Таблица 2 - Равновесное парциальное давление азота, обеспечивающее образование нитрида

титана в системе железо-никель-титан при 1773 К

Состав сплава, % Молярные доли а в -2'дХл дрш Р2 атм

Рв N Т Х^ Рв Хм Х„

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

89,9 10,0 0,1 0,9032 0,0956 0,0012 3708 1512 5,8416 -1,2413 0,05737

89,5 10,0 0,5 0,8986 0,0955 0,0060 3631 1500 4,4436 -2,6895 0,00205

89,0 10,0 1,0 0,8828 0,0955 0,0117 3636 1486 3,8636 -3,2802 0,00052

79,9 20,0 0,1 0,8067 0,1921 0,0012 3369 2596 5,8416 -0,8212 0,15090

79,5 20,0 0,5 0,8021 0,1920 0,0059 3337 2575 4,4582 -2,2344 0,00583

79,0 20,0 1,0 0,7965 0,1918 0,0117 3295 2547 3,8490 -2,8830 0,00131

59,9 40,0 0,1 0,6108 0,3860 0,0012 3729 3608 5,8416 -0,0473 0,89680

59,5 40,0 0,5 0,6063 0,3878 0,0059 3712 3571 4,4582 -1,4611 0,00346

59,0 40,0 1,0 0,6007 0,3874 0,0118 3672 3527 3,8562 -2,1105 0,00775

49,9 50,0 0,1 0,5113 0,4875 0,0012 4449 3600 5,8416 0,3543 2,26100

49,5 50,0 0,5 0,5069 0,4872 0,0059 4424 3558 4,4582 -1,0669 0,08573

49,0 50,0 1,0 0,5013 0,4867 0,0119 4394 3508 3,8490 -1,7212 0,01900

39,9 60,0 0,1 0,4109 0,5879 0,0012 5542 3299 5,8416 0,8010 6,32400

39,5 60,0 0,5 0,4065 0,5875 0,0060 5520 3253 4,4436 -0,6354 0,23150

39,0 60,0 1,0 0,4010 0,5370 0,0120 5492 3196 3,8416 -1,2853 0,05184

19,9 80,0 0,1 0,2070 0,7918 0,0012 8896 1977 5,8416 1,9471 88,53000

19,5 80,0 0,5 0,2027 0,7912 0,0060 8875 1929 4,4436 0,5102 3,23800

19,0 80,0 1,0 0,1973 0,7905 0,0121 8851 1869 3,8344 0,1464 1,38500

- 99,9 0,1 - 0,9988 0,0012 13857 - 5,8416 3,6301 4275,00

- 99,5 0,5 - 0,9939 0,0060 13721 - 4,4294 2,1410 138,300

- 99,9 1,0 - 0,9877 0,0122 13550 - 3,8272 1,4425 27,7000

Таблица 3 - Равновесные концентрации титана, обеспечивающие выделение нитрида из сплавов

железо-никель в атмосфере азота

Т, к Состав сплава, % Состав сплава, молярные доли а в 1дХТ1 ХТ 1-Хт, [Т1, %]

Рв N ХР Рв Х„ N

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1723 80,0 20,0 0,8079 0,1921 3369 2596 -3,5871 0,00026 0,99974 0,022

1723 60,0 40,0 0,6140 0,3860 3729 3608 -3,1889 0,00065 0,99935 0,055

1723 40,0 60,0 0,4121 0,5879 5542 3299 -2,7525 0,00177 0,99823 0,147

1723 20,0 80,0 0,2082 0,7918 8896 1977 -2,1628 0,00672 0,99328 0,556

1723 - 100,0 - 1,0000 13857 - -1,2969 0,05048 0,94952 4,325

1743 80,0 20,0 0,8079 0,1921 3369 2596 -3,4842 0,00033 -0,99967 0,028

1743 60,0 40,0 0,6140 0,3860 3729 3608 -3,0906 0,00082 0,99918 0,069

1743 40,0 60,0 0,4121 0,5879 5542 3299 -2,6592 0,00219 0,99781 0,182

1743 20,0 80,0 0,2082 0,7918 8896 1977 -2,0763 0,00839 0,99161 0,696

1743 - 100,0 - 1,0000 13857 - -1,2203 0,06021 0,93979 5,215

1773 80,0 20,0 0,8079 0,1921 3369 2596 -3,3313 0,00047 0,99953 0,040

1773 60,0 40,0 0,6140 0,3860 3729 3608 -2,9444 0,00114 0,99886 0,096

1773 40,0 60,0 0,4121 0,5879 5542 3299 -2,5203 0,00302 0,99698 0,252

1773 20,0 80,0 0,2082 0,7918 8896 1977 -1,9472 0,01129 0,98871 0,939

1773 - 100,0 - 1,0000 13857 - -1,1057 0,07839 0,92161 6,920

Если ХТ << 1,0 то с точностью до 5 % можно пользоваться соотношением

[7Х%]~(0,8571^е,%] + 0,8136[М, %]) ■ Хп

77, % 0,8 0,6 0,4 0,2

3

2

1

— О

0,20

0,40

0,60

№. %

Взаимодействие азота с растворенным в сплаве титаном описывается реакцией

П

+ -Ы7= TiN■

К4 =

Ы1—Сг 2 г 1

ТВ

(9) (10)

(11)

Влияние никеля и хрома на коэффициент активности титана определяется соотношением [4].

1дГ?ГСг = хп

/6945*»; - 2506Х

Сг

1 - 1723 К; 2 - 1743 К; 3 - 1773 К.

Рисунок - Зависимость равновесных концентраций титана от содержания [N1, %]Ре и температуры

Термодинамический анализ системы никель-хром-титан-азот. Пропитка карбидного каркаса никель-хромовыми жаропрочными сплавами представляет значительный интерес в связи с хорошей смачиваемостью никелем карбида титана. Условие трехфазного равновесия расплав-нитрид-газ анализировалось с использованием методики и данных, приведенных в работе [3].

(12)

V Т

Решая совместно (10), (11) и (12), получим

1д Рщ =

-22940 + 14,567 - 21514*,

Сг

ч2 гр

13890*п*ж + В012ХпХСг

21д[П,%1 (13)

Принимая а = -22940 + 14,56Т; в = 21514ХСг; с = 13890ХТХСг; d = 5012ХТ1ХСг, имеем

В таблицах 4-6 приведен расчет равновесных парциальных давлений азота в газовой фазе, обеспечивающих выделение нитридов из жидких сплавов никель-хром с содержанием хрома 5-20 % и разном содержании титана при 1723-1773 К.

Полученные данные показывают, что при низких содержаниях титана в этих расплавах и парциальных давлениях азота, равных или меньших 1 ат., нитриды выделяться не будут. С увеличением содержания хрома в сплавах падает равновесное парциальное давление азота, обеспечивающее выделение нитридов. Так, при содержании хрома 15-20 % даже 0,5 % титана в сплаве обеспечивает выделение нитридов при пропитке карбидного каркаса в атмосфере азота (РМ2 = 1,0 ат.).

Выделение нитридов из расплава, содержащего 5-10 % хрома и давлении азота 1 ат., обеспечивает содержание титана в сплавах более 1,0-2,0 %.

Следует отметить довольно значительное влияние температуры на образование нитрида титана в жидких никельхромовых сплавах [5]. Так, например, если в сплавах никель - 5 % хрома при 1723-1743 К 2,0 % титана обеспечивает образование нитридов при пропитке карбидного каркаса в атмосфере азота (РМ2 = 1 ат.), то при 1773 К такое содержание титана обеспечить образование нитридов в расплаве не может.

Для практического применения полученных в результате термодинамического анализа данных необходимо еще определить минимальное содержание титана в никельхромовых сплавах с разной концентрацией хрома, которое обеспечивает выделение нитридов из расплава при пропитке карбидного каркаса в атмосфере азота (РМ2 - 1,0 ат.). Для этой цели можно сделать приближенный термодинамический расчет.

Таблица 4 - Равновесные парциальные давления азота в газовой фазе, обеспечивающие выделение нитрида титана в никельхромовых расплавах при 1723 К

Состав Состав сплава,

сплава, % молярные доли а в с с( 2т %] ^N2 Р.,„ атм.

N Сг Л ХС Сг х, N2'

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

94,8 5 0,2 0,9412 0,0563 0,0025 2147 1211 32,68.32 0,7052 -1,3979 1,9226 83,62

94,5 5 0,5 0,9377 0,0562 0,0060 2147 1209 78,1479 1,6900 -0,6021 1,1021 12,59

94,2 5 0,8 0,9340 0,0562 0,0098 2Т47 1209 127,1379 2,7602 -0,1938 0,6660 4,63

94,0 5 1,0 0,9316 0,0562 -0,0122 2147 1209 157,8668 3,4362 0,0000 0,4548 2,85

93,5 5 1,5 0,9256 0,0561 0,0183 2147 1207 235,2755 5,1455 0,3522 0,10568 1,07

93,0 5 2,0 0,9196 0,0561 0,0243 2147 1207 310,3900 6,8325 0,6020 -0,2326 0,59

89,8 10 0,2 0,8857 0,1119 0,0024 2147 2407 29,5257 1,3460 -1,3979 1,2062 16,08

89,5 10 0,5 0,8822 0,1118 0,0060 2147 2405 73,5225 3,3620 -0,6021 0,4116 2,51

89,2 10 0,8 0,8786 0,1117 0,0097 2147 2403 118,3764 5,4345 -0,1938 -0,0203 0,95

89,0 10 1,0 0,8762 0,1117 0,0121 2147 2403 147,2621 6,7740 0,0000 -0,2301 0,59

84,8 15 0,2 0,8308 0,1668 0,0024 2147 3588 27,6955 2,0064 -1,3979 0,5467 3,52

84,5 15 0,5 0,8274 0,1666 0,0060 2147 3584 68,9555 5,0100 -0,6021 -0,2690 0,54

84,2 15 0,8 0,8238 0,1665 0,0097 2147 3582 110,9930 8,0946 -0,1938 -0,6999 0,20

84,0 15 1,0 0,8215 0,1665 0,0120 2147 3582 136,9276 10,0140 0,0000 -0,9065 0,15

79,8 20 0,2 0,7767 0,2209 0,0024 2147 4752 25,8971 2,6572 -!,3979 -0,1275 0,94

79,5 20 0,5 0,7733 0,2207 0,0060 2147 4748 64,4682 6,6369 -0,6021 -0,9410 0,11

79,2 20 0,8 0,7698 0,2206 0,0096 2147 4746 102,6482 10,6142 -0,1938 -1,3681 0,04

79,0 20 1,0 0,7676 0,2205 0,0119 2147 4744 126,8774 13,1512 0,0000 -1,5793 0,03

Из уравнения (14) и таблиц 4-6 следует, что члены с и б слабо влияют на равновесное парциальное давление азота. Поэтому

При Р = 1 и 1дР = 0 получим

(16)

Уравнение (16) было использовано для приближенного подсчета равновесной концентрации титана в никельхромовых сплавах, обеспечивающей выделение нитрида при 1723-1773 К (таблица 7).

Таблица 5 - Равновесные парциальные давления азота в выделение нитрида титана в никельхромовых

Состав сплава, % Состав сплава, молярные доли а в с б ВД %] ^N2 Рш, атм.

N7 Сг 77 К N ХСг

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

94,8 5 0,2 0,9412 0,0563 0,0025 2438 1211 32,6832 0,7052 -1,3979 2,0835 121,20

94,6 5 0,5 0,9377 0,0562 0,0060 2438 1209 78,1479 1,6900 -0,6021 !,2633 18,34

94,2 5 0,8 0,9340 0,0562 0,0098 2438 1209 127,1379 2,7602 -0,1938 0,8275 6,72

94,0 5 1,0 0,9316 0,0562 0,0122 2438 1209 157,8668 3,4362 0,0000 0,6117 4,09

93,5 5 1,5 0,9250 0,0561 0,0183 2438 1207 235,2755 5,1455 0,3522 0,2220 1,67

93,0 5 2,0 0,9196 0,0561 0,0243 2438 1207 310,3900 6,8325 0,6020 -0,0699 0,85

89,8 10 0,2 0,8857. 0,1119 0,0024 2438 2407 29,5257 1,3460 -1,3979 1,3995 25,09

89,5 10 0,5 0,8822 0,1118 0,0060 2438 2405 73,5225 3,3620 -0,6021 0,5808 3,81

89,2 10 0,8 0,8786 0,1117 0,0097 2438 2403 118,3764 5,4345 -0,1938 0,1491 1,41

89,0 10 1,0 0,8762 0,1117 0,0121 2438 2403 147,2621 6,7740 0,0000 -0,0605 0,87

84,8 15 0,2 0,8308 0,1668 0,0024 2438 3588 27,6955 2,0064 -1,3979 0,7234 5,29

84,5 15 0,5 0,8274 0,1666 0,0060 2438 3584 68,9555 5,0100 -0,6021 -0,0921 0,81

84,2 15 0,8 0,8238 0,1665 0,0097 2438 3582 110,9930 8,0946 -0,1938 -0,5216 0,30

84,0 15 1,0 0,8215 0,1665 0,0120 2438 3582 136,9276 10,0140 0,0000 -0,7291 0,19

79,8 20 0,2 0,7767 0,2209 0,0024 2438 4752 25,8971 2,6572 -1,3979 0,0570 1,14

79,5 20 0,5 0,7733 0,2207 0,0060 2438 4748 64,4682 6,6369 -0,6021 -0,7564 0,18

79,2 20 0,8 0,7698 0,2206 0,0096 2438 4746 102,6482 10,6142 -0,1938 -1,1832 0,07

79,0 20 1,0 0,7676 0,2205 0,0119 2438 4744 126,8774 13,1512 0,0000 -1,3883 0,04

газовой фазе, обеспечивающие эасплавах при 1743 К

Таблица 6 - Равновесные парциальные давления азота в выделение нитрида титана в никельхромовых

Состав сплава, % Состав сплава, молярные доли а в с б 2т, %] ^N2 Рш, атм.

N7 Сг 77 N ХСг

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

94,8 5 0,2 0,9412 0,0563 0,0025 2875 1211 32,6832 0,7052 -1,3979 2,3183 208,10

94,5 5 0,5 0,9377 0,0562 0,0060 2875 1209 78,1479 1,6900 -0,6021 1,4986 31,52

94,2 5 0,8 0,9340 0,0562. 0,0098 2875 1209 127,1379 2,7602 -0,1938 1,0633 11,57

94,0 5 1,0 0,9316 0,0562 0,0122 2875 1209 157,8668 3,4362 0,1001 0,8525 7,12

93,5 5 1,5 0,9250 0,0561 0,0183 2875 1207 235,2755 5,1455 0,3522 0,5152 3,27

93,0 5 2,0 0,9196 0,0561 0,0243 2875 1207 310,3900 6,8325 0,6020 0,1678 1,47

89,8 10 0,2 0,8857 0,1119 0,0024 2875 2407 29,5257 1,3460 -1,3975 1,6460 43,66

89,5 10 0,5 0,8822 0,1118 0,0060 2875 2405 73,5225 3,3620 -0,6021 0,8276 6,72

89,2 10 0,8 0,8786 0,1117 0,0097 2875 2403 1Т8,3764 5,4345 -0,1938 0,3963 2,49

89,0 10 1,0 0,8762 0,1117 0,0121 2875 2403 147,2621 6,7740 0,0000 0,1870 1,54

84,8 15 0,2 0,8308 0,1668 0,0024 2875 3588 27,6955 2,0064 -1,3979 0,9813 9,55

84,5 15 0,5 0,8274 0,1666 0,0060 2875 3584 68,9555 5,0100 -0,6021 0,1661 1,47

84,2 15 0,8 0,8238 0,1665 0,0097 2875 3582 110,9930 8,0946 -0,1938 -0,2630 0,55

84,0 15 1,0 0,8215 0,1665 0,0120 2875 3582 136,9276 10,0140 0,0000 -0,4703 0,34

79,8 20 0,2 0,7767 0,2209 0,0024 2875 4752 25,8971 2,6572 -1,3979 0,3261 2,12

79,5 20 0,5 0,7733 0,2207 0,0060 2875 4748 64,4682 6,6369 -0,6021 -0,4869 0,33

79,2 20 0,8 0,7698 0,2206 0,0096 2875 4746 102,6482 10,6142 -0,1938 -0,9134 0,12

79,0 20 1,0 0,7676 0,2205 0,0119 2875 4744 126,8774 13,1512 0,0000 -1,1183 0,08

газовой фазе, обеспечивающие эасплавах при 1773 К

Таблица 7 - Равновесное содержание титана, обеспечивающее выделение нитрида титана в никельхромовых сплавах разного состава при 1723-1773 К

Tемпература, K Состав сплава, % Состав сплава, молярные доли а в т, %] [Т1, %]

N7 Сг N7 Сг

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1723 95 5 0,94 0,06 2047 1291 0,2194 1,66

1723 90 10 0,89 0,11 2047 2367 -0,0929 0,81

1723 85 15 0,83 0,17 2047 3657 -0,4672 0,34

1723 80 20 0,78 0,22 2047 4733 -0,7795 0,17

1743 95 5 0,94 0,06 2338 1291 0,3009 1,99

1743 90 10 0,89 0,11 2338 2367 -0,0083 0,98

1743 85 15 0,83 0,17 2338 3657 -0,3784 0,42

1743 80 20 0,78 0,22 2338 4733 -0,6870 0,21

1773 95 5 0,94 0,06 2775 1291 0,4185 2,62

1773 90 10 0,89 0,11 2775 2367 0,1151 1,30

1773 85 15 0,83 0,17 2775 3657 -0,2487 0,56

1773 80 20 0,78 0,22 2775 4733 -0,5522 0,28

Выводы. Результаты термодинамического анализа показывают, что в сплавы Fe-Ni с содержанием никеля до 80 % достаточно ввести 0,5-1,0 % титана, чтобы обеспечить выделение нитрида титана из расплава [4-5] при температурах 1723-1773 К. При пропитке карбидного каркаса чистым никелем в атмосфере азота для выделения нитридов необходимо, чтобы содержание титана в никеле составляло 4,0-7,0 %. Следует иметь также в виду, что с увеличением температуры пропитки содержание титана, обеспечивающее выделение нитридов из расплава возрастает.

Установлено, что в никельхромовых сплавах при 1723-1773 К хром снижает равновесное давление азота, обеспечивающее выделение нитрида. Для сплавов, содержащих менее 10 % хрома и 1,0 % титана равновесное парциальное давление азота более одной атмосферы и только при содержании хрома в сплавах более 10 %, а титана - 1,0 % равновесное парциальное давление азота становится меньше 1 ат. Следовательно, для покрытия карбидного каркаса нитридами титана его следует пропитывать никель-хромовыми сплавами содержащими более 10 % хрома и 1 % титана в атмосфере азота.

Список источников

1 Гуревич Ю.Г., Фраге Н.Р Термодинамические свойства карбонитрида титана и условия его выделения из жидкой стали // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 1975. № 2. С. 43-46.

2 Лысенкова Е.В. Повышение точности растворимости азота и нитрида титана в расплавах на основе железа, применение к сталям, легированным азотом и титаном: дис. ... канд. техн. наук: 05.16.02: увт. 26.02.2016. М., 2016. 75 с.

3 Александров В.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебное пособие. Часть 1. Материаловедение. Стандарт третьего поколения. Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2015. 327 с.

4 Потехин Б.А. Металловедение: учебное пособие. Екатеринбург: ИГЛТУ, 2019. 99 с.

5 Павлов В.А., Лозовая Е.Ю., Бабенко А.А. Спецметаллургия сталей и сплавов: учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во Уральского университета, 2018. 168 с.

References

1 Gurevich Yu.G., Frage N.R. Termodinamicheskie svojstva karbonitrida titana i uslovija ego vydelenija iz zhidkoj stali [Thermodynamic properties of titanium car-bonitride and the conditions for its extraction from liquid steel] // Proceedings of Higher Educational Institutions. Ferrous Metallurgy. 1975; (2): 43-46. (In Russ).

2 Lysenkova E.V. Povyshenie tochnosti rastvori-mosti azota i nitrida titana v rasplavah na osnove zheleza, primenenie k staljam, legirovannym azotom i titanom [Improving the accuracy of the solubility of nitrogen and titanium nitride in iron-based melts, application to steels alloyed with nitrogen and titanium] [Dissertation]. Moscow; 2015. (In Russ).

3 Aleksandrov V.M. Materialovedenie i tehnologi-ja konstrukcionnyh materialov: uchebnoe posobie. Chast' 1. Materialovedenie. Standart tret'ego poko-lenija [Material science and technology of structural materials: textbook. Part 1. Materials science. third generation standard]. Arkhangelsk: Northern (Arctic) Federal University; 2015. (In Russ).

4 Potekhin B.A. Metallovedenie [Metallurgy]: textbook. Ekaterinburg: IGLTU; 2019. (In Russ).

5 Pavlov V.A., Lozovaya E.Yu., Babenko A.A. Specmetallurgija stalej i splavov [Special metallurgy of steels and alloys]: textbook. Yekaterinburg: Ural University Press; 2018. (In Russ).

Информация об авторах

Л.М. Савиных - кандидат технических наук, доцент; AuthorID 851161.

Т.А. Дудорова - кандидат технических наук, доцент; AuthorID 1153163. С.Ю. Помялов - старший преподаватель; AuthorID 1153158.

Т. В. Корнюшева - старший преподаватель; AuthorID 102100.

Information about the authors

L.M. Savinykh - Candidate of Technical Sciences,

Associate Professor; AuthorID 851161.

T.A. Dudorova - Candidate of Technical Sciences,

Associate Professor; AuthorID 1153163.

S.Yu. Pomyalov - Senior Lecturer; AuthorID 1153158.

T.V. Kornyusheva - Senior lecturer; AuthorID 102100.

Статья поступила в редакцию 07.04.2022; одобрена после рецензирования 08.05.2022; принята к публикации 25.08.2022.

The article was submitted 07.04.2022; approved after reviewing 08.05.2022; accepted for publication 25.08.2022.