Термодинамический анализ системы железо-хром-никель Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 541.123

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО-ХРОМ-НИКЕЛЬ

Б.И. Леонович, Б.В. Ощепков, Е.А. Трофимов

THERMODYNAMIC ANALYSIS

OF THE IRON-CHROMIUM-NICKEL SYSTEM

B.l. Leonovich, В. V. Oschepkov, E.A. Trofimov

Проведен термодинамический анализ трехкомпонентной системы железо-хром-никель. Результаты расчета равновесных состояний системы представлены в виде политермических поверхностей и фазовых диаграмм. Рассчитан и построен политермический разрез с постоянным значением концентрации хрома в системе.

Ключевые слова: термодинамическое моделирование, фазовая диаграмма, система железо-хром-никель.

The thermodynamic analysis of ternary iron — chromium - nickel system is carried out. The calculation results of equilibrium conditions of the system are presented as poly-thermal surfaces and phase diagrams. The polythermal section with constant chromium concentration in the system was calculated and constructed.

Keywords: thermodynamic modeling, phase diagram, iron - chromium - nickel system.

Система железо-хром-никель является основой корозионностойких сталей. Для рациональной организации производства этих марок стали необходимо иметь информацию об изменении фазовых характеристик сплава в зависимости от химического состава, о температурах начала и конца кристаллизации, иметь представление о структурных изменениях при охлаждении. Такая информация может быть получена при расчете и построении диаграмм состояния.

При анализе фазовых равновесий в трехкомпонентной системе Ре-Сг-Ы! необходимо знать свойства фаз, образующихся в двухкомпонентных системах железо-хром, железо-никель и хром-никель. Анализ фазовых равновесий и термодинамические характеристики компонентов в этих бинарных системах представлены в работах [1-3].

Молярная энергия Гиббса гомогенного трех-компонентного жидкого металлического сплава задается уравнением

°т = хСгССг + + + КТ(-ХС, 1п *Сг +

'п + 'П х¥е ) + А"СгхРе-^Сг,Ре +

+ХСГХ№1СГ;№ + ^еЛе*» х

х(*Сг^Сг,Ре,№ + хРе^Сг,Ре,№ + )> (О

где х) - молярные доли компонентов раствора; б,0 - энергия Гиббса чистого компонента; К - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; Ьу - температурно-зависимые параметры модели, значения которых выражали полиномами Редлиха-Кистера:

Ц = (*,-*;)". (2)

л=0

Парциальные молярные энергии Гиббса (химические потенциалы) могут быть вычислены по уравнению [4, 5]

\

Gj = Ц, = Gm + X (8у

j=2

дх,-V J Jxk

(3)

где 5(/ - символ Кронекера (о(/ = 0 при г Ф ] и

5у =1 при / — ] ).

В случае металлических твердых растворов в формулу (1) следует добавить слагаемое, обусловливающее вклад магнитной составляющей в энергию Гиббса:

ОГ=ЛГ1п(р + 1)/(т), (4)

где

т = 77Ге;

Дт) =

1

хА

при т < 1;

хА-

79

140 р 497

158fj_ _.Yx4

-1

_ю 16 Л т т

2 45 200 у

/00 =

-15

-25

10 315 1500

при т > 1;

А =

518

1 +

790 497

\

--1 \Р J

1125 р = 0,4;

Тс = -310хСг + 1043хРе + 575х№ + хСгх,,(.[1650 + + 550(хСг - л-,:е)] + хСгх№[2373 + 617(хСг -х№)]; Р = -0,008хСг + 2,22хРе + 0,85хм - 0,85хСгхРе + 4хСгх№ .

Термохимические данные и параметры модели, необходимые для расчета, получены при опти-

Леонович Б.И., Ощепков Б.В., Трофимов Е.А._

Термодинамический анализ системы железо-хром-никель

Термодинамические параметры системы хром-железо-никель

Фаза Параметр, Дж/моль Примеч.

Жидкий расплав (Ж) -Ссг™ =24335,93-11,427 + 2,37615-Ю-21 Г7 Г<2180 К

-Н°9в =-16459 + 335,618-7-5071п7 7>2180 К

еРеЖ) - =12040> 17 - 6,558437 - 3,675155 М О"21 Г7 Г<1811К

0°<ж> -Я^98 =-10839,7 + 291,3027-4671п7 7>1811 К

-е№ГЩ> =16414,686-9,3977-3,82318-1(Г2177 7<1728К

- С^ГЦК) = 18290,88 -10,5377 -1,12754 -10317~9 7>1728К

1°(гЖ)е = -17737 + 7,9965467

7-ЦЖ)

4(г5 =318-7,33187

¿Щ. =16941-6,36967

45^-16911 + 5,16227

/Щ =10180-4,1466567

36583

А>,Ре,№ =13254

4(5и=-10018

ОЦК-твердый раствор (а); а= 1, с=3 со(ОЦК) _ = _8856;94 +157;487 - 26,90871п7 --0,0018943572 -1,47721-10"673+1392507-1 7<2180 К

^(оцк) _ но^ = _34864 + 344,187 - 5071п7 - 2,88526 • 10327~9 7>2180 К

со(ОЦК) _ = +! 225,7 +124,13 47 - 23,514371п 7 --0,0043975272 -5,89269■ 10~873 + 77358,5Т~х Г<1811 К

^(ОЩ) _но^ = _25383,581 + 299,312557 -4671п 7 +2,29603 -10317~9 7>1811 К

со(ОЦК) _ со(щк) =87155084 _ 3 5567

¿с(™ = 20500-9,687

=17170-11,81997

=34418-11,85777

= _95б, 63 -1,287267

4(е°№К = 1789,03 -1,929127

=-2673 + 2,04157

ГЦК-твердый раствор (у); 0=1, с=1 ао(ЩК) _ со(ОЩ) = ?284 +0Л63 т

ео(гцк) _ со(ОЦК) = _1462^ 4 + 8,282Г -1,15Г 1п Г + 6,4 • 10~4Г2 Т< 1811

- Я298 = -27098,266 + 300,25256Г --46Г 1п Г + 2,78854 • 1031 Т~9 Т> 1811

- Я298 = -5179,159 +117,854Г - 22,096Г 1п Т - 0,0048407Г2 Т< 1728

-Я^98 = -27840,655 + 279,1357" - 43,1Л п Г +1,12754 • 1031Т"9 Т> 1728

=Ю833-7,477Г

4™ = 8030-12,880\Т

¿Жу =33080-16,0362Г

= -12054,3 5 5 + 3,2741377

№к = 11062>13 - 4'45077Т

=-725,805

=16580-9,783Г

мизации экспериментальных данных и приведены в таблице [1, 3].

Графическая зависимость результатов расчета по полученным соотношениям представлена на рис. 1 и 2 в виде политермических поверхностей ликвидус и солидус трехкомпонентной системы Ре-Сг-КЧ.

Из приведенных графических зависимостей следует, что первично кристаллизующимися фазами являются феррит или аустенит. Процесс кристаллизации завершается образованием твердых растворов ОЦК или ГЦК структуры. При этом

возможно образование также смеси твердых растворов а + у. На рис. 2 штриховыми линиями показаны трехфазные равновесия (Ж + а + у) в интервале кристаллизации.

Политермический разрез на рис. 3 определяет комплекс фаз, образующихся при кристаллизации жидкого расплава с концентрацией 20 мае. % хрома.

При температуре 1000 °С и содержании никеля до 4 мае. % термодинамически устойчивой фазой является феррит. При повышении концентрации никеля сплавы имеют двухфазную структуру.

0,25.

1400,

0,50

1350/

-0,50

1450

0,25

0,50

0,75

Рис. 2. Проекция поверхности солидус системы железо-хром-никель

0,25.

-0,75

0,50,,

1400

г

1350 X. 0.50

. 1450

0,75.

1600

-0,25

Ч1500"С,

1700,

-7-

0,75

0,25

Рис. 1. Проекция поверхности ликвидус системы железо-хром-никель

Леонович Б.И., Ощепков Б.В., Трофимов Е.А._

Садеряшишс никеля. % (мае.)

Рис. 3. Политермическое сечение диаграммы состояния системы Ре-Сг-№ при содержании хрома в системе 20 мае. %

Выводы

Проведен термодинамический анализ и изучены фазовые равновесия в трехкомпонентной системе железо-хром-никель. Рассчитаны и построены политермические поверхности начала и конца кристаллизации сплавов, определён ком-

Термодинамический анализ __системы железо-хром-никель

плекс первично кристаллизующихся фаз. Результаты расчета представлены также в виде политермического разреза с постоянным содержанием хрома в системе.

Работа выполнена в рамках реализации научной программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», код проекта - 713 (10909).

Литература

1. Hillert, М. A Thermodynamic Assessment of the Fe-Cr-Ni-C System / M Hillert, С. Qiu // Metallurg. Trans. A. - 1991. - Vol. 22 A, № 9. -P. 2187-2198.

2. Hillert, M. A Reassessment of the Cr-Fe—Ni System / M. Hillert, C. Qiu // Metallurg. Trans. A. -1990. - Vol. 21A.-P. 1673-1680.

3. Raghavan, V. The Cr-Fe-N-Ni System (Chromium — Iron — Nitrogen — Nickel) / V. Raghavan // Journal of Phase Equilibria. - 1997. - Vol. 18, № 2. -P. 158-172.

4. Люпис, К. Химическая термодинамика материалов: пер. с англ. /К. Люпис; под ред. H.A. Ва-толина, А.Я. Стомахина. - М.: Металлургия, 1989. - 503 с.

5. Морачевский, А.Г. Термодинамика расплавленных металлических и солевых систем / А.Г. Морачевский. — М.: Металлургия, 1987. - 240 с.

Поступила в редакцию 21 февраля 2011 г.