Анализ фазовых равновесий в системах Co-Cr-O, Co-V-O и Co-Ti-O в условиях существования жидкого металла
Автор: Трофимов Евгений Алексеевич, Михайлов Геннадий Георгиевич
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy
Статья в выпуске: 2 т.13, 2013 года.
Бесплатный доступ
Посредством термодинамических расчетов построены поверхности растворимости компонентов в металле (ПРКМ) для систем Co-Cr-O, Co-V-O и Co-Ti-O. Разработанные ПРКМ могут быть использованы для анализа технологических процессов, связанных с взаимодействием кислорода, хрома, ванадия и титана в жидком кобальте.
Кобальтовый расплав, хром, ванадий, титан, кислород, термодинамические расчеты
Короткий адрес: https://sciup.org/147156837
IDR: 147156837
Текст научной статьи Анализ фазовых равновесий в системах Co-Cr-O, Co-V-O и Co-Ti-O в условиях существования жидкого металла
Сплавы на основе кобальта, включающие хром, ванадий, титан, используются в качестве жаропрочных, сверхтвердых, инструментальных и износостойких, а также в стоматологической практике и для изготовления постоянных магнитов.
Настоящая работа посвящена проведению термодинамического анализа систем Co–Сr–O, Co–V–O и Co–Ti–O в областях температур выше 1500 °С при содержании кобальта в металлическом расплаве 90% и более путем построения по- верхностей растворимости компонентов в металле (ПРКМ) [1, 2] для этих систем.
Термодинамические константы, использованные в ходе работы, сведены в табл. 1 и 2. Большая часть этих значений заимствована из работ [3, 4], другие рассчитаны нами с использованием данных, приводимых в этих работах. Константы, характеризующие взаимодействие в системе Co–O, получены в процессе обработки экспериментальных данных K.T. Jacob и J.P. Hajra о диаграмме
Таблица 1
Температурные зависимости констант равновесия реакций взаимодействия компонентов кобальтового расплава
|
№ |
Процесс |
Константа равновесия K ; a – активность, мас. %. |
Температурная зависимость, lg K |
|
1 |
(CoO) = [Co] + [O] |
K = a [o] / a ( CoO ) |
–6464/ T + 3,00 |
|
2 |
|CoO| = [Co] + [O] |
К = a [0] |
–9090/ T + 4,26 |
|
3 |
|CoO·Cr 2 O 3 | = [Co] + 2[Cr] + 4[O] |
42 K = a [0] a [Cr] |
–62 316/ Т + 25,458 |
|
4 |
|Cr 2 O 3 | = 2 [Cr] + 3 [O] |
K = a [0] a[Cr] |
–50 122/ Т + 20,461 |
|
5 |
|CoO·V 2 O 3 | = [Co] + 2[V] + 4[O] |
42 K = a [0] a [V] |
–58 005/ Т + 23,613 |
|
6 |
(V 2 O 3 ) = 2[V] + 3[O] |
K = a [0] a[V] / a(V 2 0 3 ) |
–42 679/ T + 16,717 |
|
7 |
|V 2 O 3 | = 2[V] + 3[O] |
32 K = a [0] a [V] |
–47 930/ Т + 19,058 |
|
8 |
|VO| = [V] + [O] |
K = a [0] a [V] |
–15 203/ Т + 7,143 |
|
9 |
|2CoO·TiO 2 | = 2[Co] + [Ti] + 4[O] |
K = a [0] a [Ti] |
–57 726/ Т + 22,399 |
|
10 |
(TiO 2 )= [Ti] + 2[O] |
K = a [0] a [Ti] / a (TiO2) |
–33 521/ Т + 11,072 |
|
11 |
|TiO 2 | = [Ti] + 2[O] |
K = a [0] a [Ti] |
–37 022/ Т + 12,706 |
|
12 |
|Ti 3 O 5 | = 3[Ti] + 5[O] |
K = a [0] a [Ti] |
–93 970/ Т + 31,485 |
|
13 |
|Ti 2 O 3 | = 2[Ti] + 3[O] |
K = a [0] a [2Ti] |
–57 345/ T + 19,443 |
|
14 |
|TiO| = [Ti] + [O] |
K = a [0] a [Ti] |
–18 008/ Т + 7,003 |
Таблица 2
Температурные зависимости параметров взаимодействия компонентов кобальтового расплава
На рис. 1 представлены результаты расчета ПРКМ системы Co–Cr–O.
Линия 1–2 показывает составы жидкого металла, находящегося в равновесии с твердым CoO и твердой шпинелью (CoO·Cr2O3). В области I определены составы металла, находящегося в равно- весии с твердым оксидом кобальта. В области II – составы металла, находящегося в равновесии со шпинелью CoO·Cr2O3. Линия 3–4 показывает составы жидкого металла, находящегося в равновесии со шпинелью и твердым оксидом трехвалентного хрома, а в области III определены составы жидкого металла, находящегося в равновесии с твердым Cr2O3.
На рис. 2 представлена ПРКМ системы Co–V–O.
Рассматриваемый интервал температур характеризуется наличием в системе оксидного расплава.
Рис. 1. ПРКМ системы Co–Cr–O
Рис. 2. ПРКМ системы Co–V–O
Рис. 3. ПРКМ системы Co–Ti–O
Для расчета активностей компонентов расплава в системе CoO–V2O3 использовалось приближение теории совершенных ионных растворов.
В области I определены составы металла, равновесного с твердым оксидом кобальта. В области II – составы металла, находящегося в равновесии со шпинелью CoO·V2O3. В области III заданы составы металла, находящегося в равновесии с оксидным расплавом (CoO и V2O3). Наиболее обширная из представленных на рисунке областей – область IV – демонстрирует составы металла, находящегося в равновесии с твердым оксидом ванадия V 2 O 3 . Расчеты показывают, что VO в равновесии с металлом в этой системе может находиться при содержании ванадия в расплаве выше 10 %.
Картина фазовых равновесий в системе Co–Ti–O, ПРКМ которой представлена на рис. 3, более сложна. В области I заданы составы металла, равновесного с твердым CoО, в области II – с двойным оксидом (2CoO·TiO 2 ). Следует оговориться, что в оксидной системе CoO–TiO2, согласно данным J.H. Strimple, представленным в справочнике [7], обнаружено три двойных оксида – 2CoO·TiO 2 , CoO·TiO 2 и CoO·2TiO 2 . Однако температура плавления CoO·TiO 2 – 1470 °С ((1463 ± 10) °С согласно [8]), а температура инкон-груэнтного распада CoO·2TiO 2 – 1505 °С ((1482±20) °С согласно [8]). То есть можно считать, что при температурах выше 1500 °С в качестве твердой, равновесной с жидким металлом фазой может быть только 2CoO·TiO2, температура плавления которого, согласно [7] 1575 °С, а согласно [8] – (1462±15) °С.
В области III определены составы металла, находящегося в равновесии с оксидным расплавом (CoO и TiO2). Для расчета активностей компонентов расплава в этой оксидной системе использовалось приближение теории совершенных ионных растворов. Отметим, что результат расчета с использованием столь простого подхода несколько противоречит приводимым в справочнике [7] дан- ным J.H. Strimple (1957) по диаграмме состояния системы CoO–TiO2.
Равновесными с жидким металлом твердыми оксидными фазами в областях IV, V, VI являются соответственно TiO2, Ti3O5 и Ti2O3. На линии 11–12 в равновесии с металлом находятся две твердые оксидные фазы Ti2O3 (VI) и TiO (VII). Изотермы для TiO (VII) на рис. 3 не показаны.
Полученные диаграммы позволяют объяснить состав неметаллических включений в кобальте и его сплавах, а также корректировать процессы рафинирования металлического расплава и моделировать технологически необходимые фазовые равновесия.
Выводы
Посредством построения поверхностей растворимости компонентов в металле (ПРКМ) для систем Co–Сr–O, Co–V–O и Co–Ti–O проанализированы фазовые равновесия в этих системах. Оптимизированы параметры, использованные в процессе расчета диаграмм. Разработанные ПРКМ могут быть использованы для анализа технологических процессов, связанных с взаимодействием кислорода, хрома, ванадия и титана в жидком кобальте.
Работа осуществлена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 13-03-00534.
Список литературы Анализ фазовых равновесий в системах Co-Cr-O, Co-V-O и Co-Ti-O в условиях существования жидкого металла
- Михайлов, Г.Г. Термодинамика металлургических процессов и систем/Г.Г. Михайлов, Б.И. Леонович, Ю.С. Кузнецов. -М.: Издат. дом МИСиС. -2009. -520 c.
- Трофимов, Е.А. Физико-химический анализ фазовых равновесий в системах Co-С-О, Co-Si-O, Co-Al-O и Co-O-Si-O при температурах существования жидкого металла/Е.А. Грофимов, Г.Г. Михайлов//Вестник Южно-Урал. гос. ун-та. Сер. «Металлургия». -2006. -Вып. 7, № 10 (65) -С. 15-18.
- Куликов, И.С. Раскисление металлов/И.С. Куликов -М.: Металлургия, 1975. -504 с.
- Туркдоган, Е.Г. Физическая химия высокотемпературных процессов: пер. с англ/Е. Г. Туркдоган. -М.: Металлургия, 1985. -344 с.
- Jacob, K. Г. Thermodynamic Properties and Phase Boundaries of Co-O Solutions/К.T. Jacob, J.P. Hajra//Zeitschrift für Metallkunde -1985. -Vol. 76. -С. 709-713.
- Физико-химические свойства окислов: справ./под ред. Г.В. Самсонова. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Металлургия, 1978. -472 с.
- Диаграммы состояния силикатных систем: справ. Вып.1: Двойные системы/Н.А. Торопов, В.П. Барзаковский, В.В. Лапин, Н.Н. Курцева -Л.: Наука. Ленингр. отд., 1969. -822 с.
- Глушко, В.П. Термические константы веществ. База данных/В.П. Глушко. -http://www.chem.msu.su/.
