Термодинамика химической и электрохимической устойчивости силицидов кобальта

Автор: Тюрин Александр Георгиевич, Мосунова Татьяна Владимировна, Николайчук Павел Анатольевич

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия @vestnik-susu-chemistry

Рубрика: Физическая химия

Статья в выпуске: 11 (187), 2010 года.

Бесплатный доступ

Построены диаграммы потенциал - рН систем Со-Н2О и Со-Si-H2O, a также фазовая диаграмма системы Со-Si-О при 25 °С. Анализируются термодинамические особенности коррозионно-электрохимического поведения сплавов системы Co-Si различного состава.

Силициды кобальта, низкотемпературное окисление, химическая устойчивость, коррозионно-электрохимическое поведение, диаграммы потенциал -рн, электрохимическая устойчивость

Короткий адрес: https://sciup.org/147160158

IDR: 147160158

Текст научной статьи Термодинамика химической и электрохимической устойчивости силицидов кобальта

Кобальт и кремний являются основными компонентами аморфных сплавов на основе кобальта. Состав некоторых из них представлен в табл. 1.

.                             Таблица 1

Состав аморфных и кристаллических сплавов на основе кобальта [1]

Сплав

Индекс сплава

Содержание компонентов, мае. %

Со

Ni

Fe

Si

В

Мп

Virovac 6 010

Ai, Ci

58

10

5

11

16

Metglas 2 714А

A2, C2

66

1

4

15

14

Metglas 2 705Mn

A3, Сз

76

2

6

18

4

* А - аморфные, С - кристаллические (отжиг в вакуумной печи при температуре 580 °C в течение 10 мин).

Аморфные металлические сплавы обладают комплексом необычных физико-химических свойств и являются перспективными материалами, представляющими теоретический и практический интерес. Следствием их аморфной структуры являются необычные магнитные, механические, электрические свойства и, в особенности, высокая коррозионная стойкость сплавов [2, 3]. Именно поэтому проводились и проводятся исследования коррозионного поведения системы кобальт-кремний как в воздушных, так и в водных средах. Результаты экспериментальных исследований состава и структуры пассивационных плёнок на сплавах приведены в работе [1]. Также широко исследуется [4-8] и электрохимическое поведение силицидов кобальта: Co2Si [4, 8], CoSi [5, 6, 8], CoSi2 [7, 8] и эвтектического сплава CoSi2-Si [7, 8] как в кислых [4-7], так и в щелочных [8] электролитах. В работе выполнен термодинамический анализ химической и электрохимической устойчивости сплавов системы кобальт-кремний при 25 °C.

Из анализа фазовой диаграммы состояния системы Co-Si [9] следует, что при этой температуре в системе существуют следующие промежуточные соединения: Co2Si, CoSi, CoSi2. Предельная растворимость Si в е-Со (с решёткой г. п. у.) лишь оценена и составляет чуть более 10 ат. %. Растворимость Со в Si если и существует, то ничтожно мала.

Избыточную энергию Гиббса СЕ твёрдых растворов кремния в кобальте (s-фаза) описывали в рамках двухпараметрического приближения обобщённой теории «регулярных» растворов [10]. Температурные зависимости энергетических параметров системы по данным [11] следующие:

Q® (Т) =-210 455 +32,01-Т, Дж/моль, Q<|)(T) = -141 419+ 32,01-Т, Дж/моль.

В литературе [11, 12] имеются различные данные о значениях энергии Гиббса образования интерметаллида C02SL Однако рассчитанные на их основании значения предельной растворимости кремния в кобальте, отвечающие равновесию 2Со(е) + Si(s) = Co2Si(T), хорошо согласуются между собой и с оценочными экспериментальными данными [9].

Химическая устойчивость

В соответствии с видом диаграмм состояния систем Со-0 и Si-O [13] при 25 °C на воздухе на чистых кобальте и кремнии возможны следующие фазовые равновесия: Со | "СоО" | "Со3О4" | {О2} и Si | SiO2 | {О2}. Оксиды кобальта имеют весьма широкую область нестехиометрии. Так состав фазы "СоО" может изменяться в пределах от СоО до СоО107, а фазы "СозОд” - от CoOij3095 до СоО1з409б [13]. Оксид Со2О3 может существовать только в форме гидрата Со2О3Н2О. Кроме того, в системе Co-Si-O возможно образование соединения CO2S1O4.

Диаграмма состояния системы Со-Si-O при 25 °C и 1 атм (воздух) представлена на рис. 1.

Стандартные энергии Гиббса образования оксидов взяты из справочников [12, 14] или рассчитаны с использованием интерполяционной формулы Лагранжа [10] и представлены в табл. 2. Рассчитанные характеристики трёхфазных равновесий представлены в табл. 3.

Рис. 1. Фазовая диаграмма состояния Со-Si-O при 25 °C

Стандартные энергии Гиббса образования соединений из элементов

Таблица 2

Оксидная фаза

Формула оксида

-AG0 Дж

^298’г_ат Со

Ссылка

Соединение

-A G° Дж

Af ^298 > моль

Ссылка

"СоО"

СоО

205 126

[12]

СоО2

233 396

*

СоО1 07

212 862

*

СоО3

84 810

*

"СО3О4"

СОО13095

232 774

*

CoSi2

102 260

[12]

СоО) 3333

234 200

[12]

CoSi

98 817

[12]

CoOi ,4096

23 8 090

*

Co2Si

104 856

[12]

Со2О3

СоО1 5

241 368

*

Co2SiO4

1 233 924

[12]

SiO2

805 067

[14]

Оценка авторов по интерполяционной формуле Лагранжа.

Физическая химия

Таблица 3

Характеристики инвариантных состояний системы Co-Si-0 при 25 °C

Равновесие

P02, атм

Составы твёрдых фаз

Si—CoSi2 — SiO2 (I)

7,9-10"142

Si      9 CoSi2      9 S1O2

CoSi2-CoSi-SiO2 (II)

3,2-10"141

xr.. = l;xr.. = l:xq;n =1 CoSi2      9 CoSi      9 SiO2

CoSi-Co2Si-SiO2 (III)

2,8-1 O’125

xr.- =l;xrnS. =l;xq;n =1

s-фаза (Co)-Co2Si - SiO2 (IV)

1Д-10422

xsi(e>= 0Д07, xCo2Si = 1 ;xsi02 = 1

s-фаза (Co)-Co2SiO4-SiO2 (V)

1,5-IO"75

хэд = 4 • 10 , хСО2§Ю4 = l,xSi02 = 1

s-фаза (Co)-"CoO"-Co2SiO4 (VI)

l,2-10”72

XSi(e) —810  , X„CoO„ = l?XCo2SiO4=

"CoO"-"Co3O4"-Co2SiO4 (VII)

7,1-IO"30

X"CoOn ~ ^9X"Co3O4" ^9XCo2SiO4 1

"Co3O4"-Co2SiO4-SiO2 (VIII)

5,6-10”21

X"Co3O4" = ^XCo2SiO4=^9XSiO2= 1

"Co3O4"-Co2O3-SiO2 (IX)

0,79

X"Co3O4" ” ^XCo2O3=^9XSiO2

Co2O3 - CoO2 - SiO2 (X)

6,0-1016

хГпП =1;хГпП =l;xqin =1

CoO2-CoO3-SiO2 (XI)

3,5-1063

хГпП =1;хГпП = 1:х„;п =1

Cov2     9 CoO3      9 SiO2

Из результатов расчёта следует, что химическое сродство кремния к кислороду намного выше, чем у кобальта. При содержании Si в е-Со большем, чем 10“37 мол. % единственным продуктом окисления сплава является кремнезём. Установлено, что с ростом температуры эта пороговая концентрация кремния в сплаве возрастает. Так, при 400 °C она составляет 10~15 мол. %. Экспериментально изученные состав и структура оксидных слоёв на сплавах, образовавшихся на воздухе при 400 °C в течение 400 часов, представлена в табл. 4.

Таблица 4

Состав и структура оксидных слоёв на сплавах, образовавшихся на воздухе при температуре 400 °C в течение 400 часов [1]

Индекс сплава*

Оксидный слой

Структурные составляющие окалины

A]

Тонкий

Со28Юф; Со3Оф; СоО

Толстый

Со3О4; Fe3O4; Co2SiO4; СоО

Ci

Тонкий

SiO2 (аморф); Со3О4

Толстый

СО3О4; Со28Юф; СоО

a2

Тонкий

SiO2 (аморф); Со3О4

Толстый

Со3О4; Co2SiO4; СоО

C2

Тонкий

Co2SiO4; СозОф^ [3-SiO2

Толстый

СозОф^ Со281Оф^ СоО

A3

Тонкий

Co2SiOфj CoзOфj P-SiO2

Толстый

CoзOфj Со281Оф^ СоО

C3

Тонкий

CoзOфj Со281Оф

Толстый

СозОф; Со28Юф; СоО

* См. табл. 1.

Таким образом, при низких температурах (25 °C) химическая устойчивость сплавов системы кобальт-кремний определяется содержанием в них кремния. При средних (400 °C) и высоких температурах оксидная плёнка на сплавах многослойная и содержит оксиды кобальта и примесных элементов.

Электрохимическая устойчивость

Диаграммы потенциал - pH систем Со-Н2О и Co-Si-H2O при 25 °C и 1 атм (воздух) приведены на рис. 2 и 3. Для системы Со-Н2О она построена при активностях ионов в растворе, рав- ных 10°, 1(Г2? КГ4, КГ6 моль/л. Соответствующие линии обозначены числами 0, -2, -4, -6. Для системы Co-Si-H2O диаграмма построена при активностях ионов, равных ИГ3 моль/л. Результаты расчётов химических и электрохимических равновесий в системах приведены в табл. 5 и 6.

Таблица 5

Основные химические и электрохимические равновесия в системе Со-Н2О при 25 °C

№ линии

Электродная реакция

Равновесный потенциал (В) или pH раствора

а

+ + 2е~ = Н2Нз ^ 5 ■ 10~7 атм

0,186-0,0591рН

ь

О2 + 4Н+ + 4е" = 2О;РОз * 0,21 атм

1,219 -0,0591рН

1

НСоО2 + ЗН+ + 2е" = Со(е) + 2Н2О

0,659-0,08865рН +0,02951g а

2

СоО + 2Н+ + 2е" = Со(е) + Н2О

0,166-0,0591рН

3

Со2++ 2е~ = Со(е)

-0,277-0,02951g аСо2+

4

СоОх + 2хН+ + 2(х -1 )е" = Со2+ + хН2О

"СоО"

х = 1,00

lgaCo2+ = 14,98-2рН

1,00>х>1,07

(0,277 - 0,292х+ 0,458х2-

-0,0591 хpH - 0,05911g «Со2+ )/(х -1)

41

"Со3О4"

1,3095 >х> 1,4096

5

СоОх + (2 - х)Н2О + 2(х - 1)е" = = НСоО2 + (3 - 2х)Н+

"СоО"

х = 1,00

^^нсоо- --16,67 +pH

ОС/2

1,00>х>1,07

(- 0,659 - 0,292х + 0,458х2 -

-0,0295(3 - 2х)рН - 0,0295 lg«Co2+ У(х -1)

51

"Со3О4"

1,3095>х> 1,4096

6

ЗСоО13095 +1,437Н+ +1,437е" = = ЗСоО107+0,7185Н2О

0,798-0,0591рН

7

Со2О3 + 0,3616Н+ + 0,361 бе" = = 2СоО14096 +0,1808Н2О

1,041 -0,0591рН

8

Со2О3 + Н2О + 2е" = 2НСоО~

-0,135-0,05911ga

НСОС>2

9

2СоО4" +10Н++6е =Со2О3+5Н2О

1,770 - 0,0985рН + 0,01971g аСо()2_

10

2СоО2 + 2Н+ + 2е" = Со2О3 + Н2О

1,312-0,0591рН

И

Со2О3 +6Н+ +2е" = 2Со2+ + ЗН2О

1,739 - 0,1773рН - 0,05911g аСо2+

12

СоО2 + 4Н+ + 2е" = Со2+ + 2Н2О

1,526 - 0,1182рН - 0,02951g аСо2+

13

СоО2" + 4Н+ + 2е" = СоО2 + 2Н2О

1,999 - 0,1182рН + 0,02951g «Соо2.

14

Со3++е" = Со2+

1,754 + 0,05911g

Со

15

СоО2 + 4Н+ + е" = Со3+ + 2Н2О

1,297 - 0,2364рН - 0,05911g аСо3+

16

СоО2" + 8Н+ + Зе" = Со3+ + 4Н2О

«ГпП2-

1,764 - 0,1577рН + 0,01971g    4

Со

Физическая химия

Таблица 6

Основные химические и электрохимические равновесия в системе Co-Si-H2O при 25 °C, 1 атм (воздух) и ^ = 10-3 моль/л

№ линии

.          Электродная реакция

Равновесный потенциал (В) или pH раствора

а

+ + 2е~ = Н2Н2 = 5 ■ 10~7 атм

0,186-0,0591рН

ь

О2 + 4Н+ + 4е" = 2О;РОз « 0,21 атм

1,219 -0,0591рН

1

SiO2+4H++4e" = Si + 2H2O

- 0,857 -0,0591рН

2

SiO2" + 4Н+ + бе" = Si + ЗН2О

-0,499-0,0887рН

3

SiO2+H2O = SiO3 +2Н+

pH 12,44

4

SiO2 + CoSi + 4Н+ + 4е" = CoSi2 + 2Н2О

- 0,848-0,0591рН

5

SiO2" + CoSi + 6Н+ + 4е" = CoSi2 + ЗН2О

- 0,480-0,0887рН

6

SiO2 + Co2Si + 4Н+ + 4е" = 2CoSi + 2Н2О

-0,617-0,0591рН

7

SiO2" + Co2Si + 6Н+ + 4е = 2CoSi + ЗН2О

- 0,249-0,0887рН

8

S1O2 + 2Со(е) + 4Н+ + 4е = Co2Si + 2H2Oj ^со(е) ~ ^’ 27

-0,602- 0,0591рН

9

SiO2- + 2Со(е) + 6Н+ + 4е~ = Co2Si + ЗН2О;

^Со(с) ”0,27

- 0,237-0,0887рН

10

Со2+ + 2е" = Co(E);aCo(6) «1

-0,366

11

Co2SiO4 + 4Н+ + 4е~ = 2Со(е) + SiO2 + 2Н2О; ^со(е) = 1

0,118-0,0591рН

12

Co2SiO4+2H + 4е = 2Co(s) + SiOg + H2O^q)^q— 1

- 0,250-0,0295рН

13

СоО + 2Н+ + 2е~ = Со(е) + Н2О; аСо^ ~

0,166-0,0591рН

14

НСоО2 + ЗН+ + 2е“ = Со(е) + 2Н2О; аСо(Е) «1

0,571-0,0887рН

15

СоОх + (2 - х)Н2О + 2(х -1 )е" = НСоО2 + (3 - 2х)Н+; 1,00 <х <1,07 ("СоО")

(-0,571-0,292х + 0,458х2-

-0,0295(3-2х)рН)/(х-1)

16 161

СоОх + 2хН+ + 2(х -1)е" = Со2+ + хН2О;

1,00<х<1,07("СоО")

1,3095 < х < 1,4096("Со3О4")

(0,454-0,292х + 0,458х2-

-0,0591хрН)/(х-1)

17

Co2SiO4 + 4Н+ = SiO2 + 2Со2+ + 2Н2О

pH 8,18

18

ЗСоО, 3095 + 1,437Н+ + 1,437е” = ЗСоО, 07 + 0,7185Н2О

0,798-0,0591рН

19

2CoO]367 + SiO2 +1,468Н+ +1,468е" = Co2SiO4 +0,734Н2О

0,972-0,0591 pH

20

2СоОх +SiO32 +2(2х-1)Н+ +4(х-1)е’ = = Co2SiO4 + (2х -1 )Н2О; 1,3095 < х < 1,367

(2,158- 0,0295(2х-1 )рН)/(х -1)

21

Со2О3 +0,3616Н+ +0,3616е~ =2СоО14096 +0,1808Н20

1,041-0,0591 pH

22

2СоО4" + 10Н+ + бе’ = Со2О3 + 5Н2О

1,711-0,0985рН

23

Со2О3 + 6Н+ + 2е" = 2Со2+ + ЗН2О

1,916-0,1773рН

24

2СоО2 + 2Н+ + 2е" = Со2О3 + Н2О

1,312-0,0591рН

25

СоО2 + 4Н+ + 2е" = Со2+ + 2Н2О

1,615-0,1182рН

26

СоО2" + 4Н+ + 2е" = СоО2 + 2Н2О

1,911-0,1182рН

27

Со3+ + е” = Со2+

1,754

28

СоО2 + 4Н+ + е" = Со3+ + 2Н2О

1,474-0,2364рН

На диаграмме потенциал - pH системы Со-Н2О (рис. 2) можно выделить 9 областей преобладания различных фаз: I - Со (е); II - Со2+; III - "СоО"; IV -НСоО;; V - "Со3О4"; VI - Со2О3; VII - СоО2; VIII - Со3+; IX - СоО^.

Рис. 2. Диаграмма потенциал - pH системы Со-Н2О при 25 °C, 1 атм (воздух) и ^ = 10°, 10"2,НГ4 и НГ6 моль/л (негидратированная форма оксидов)

На диаграмме потенциал - pH системы Co-Si-H2O (рис. 3) можно выделить 23 области преобладания различных фаз: I - 8-фаза (Со) + Co2Si + CoSi + CoSi2 + Si; II - 8-фаза (Co) + Co2Si + + CoSi + CoSi2 + SiO2; III - e-фаза (Co) + Co2Si + CoSi + CoSi2 + SiO^ ; IV - 8-фаза (Co) + Co2Si + + CoSi + SiO2; V - 8-фаза (Co) + Co2Si + CoSi + SiOf ~; VI - e-фаза (Co) + Co2Si + SiO^-; VII -

Физическая химия е-фаза (Со) + Co2Si + SiO2; VIII-IV - 8-фаза (Со) + SiO2; IX - е-фаза (Со) + SiO2 ; X - 8-фаза (Со) + + Co2SiO4; XI - Co2SiO4 + HCoO;; ХП - Co2SiO4 + "СоО"; XIII - Co2SiO4 + Со2+; XIV - SiO2 + Со2+; XV - Co2SiO4 + "Со3О4"; XVI - "Со3О4" + SiO2"; XVII - "Со3О4" + SiO2; XVIII - Со2О3 + SiO2"; XIX - Со2О3 + SiO2; XX - СоО2 + SiO2; XXI - SiO2 + Со3+; XXII - SiO2 + СоО2 ; XXIII - СоО2", SiO2".

Е, В (с.в.э)

-2      0       2       4 б 8      10      12      14

pH

Рис. 3. Диаграмма потенциал - pH системы Co-Si-H2O при 25 °C, 1 атм (воздух) и сц = 10"3 моль/л (негидратированная форма оксидов)

Как показывают расчёты, в кислых средах пассивационная плёнка на сплавах системы Co-Si будет представлять собой чистый S1O2, при условии отсутствия в растворе ионов F~. Если крем- ния в сплаве недостаточно для образования сплошной плёнки (его содержание не превышает 15 мае. %), то будет наблюдаться селективное растворение кобальта из сплавов с образованием в растворе ионов Со2+. Эти выводы подтверждаются и экспериментальными исследованиями [4-7].

В нейтральных и щелочных средах схема первичной пассивации сплавов системы Co-Si следующая:

I сплав + SiO2 —>

II

  • —> сплав + Co2SiO4 —>

III

  • —> сплав + СоО.

По аналогии с пассивацией силицидов железа [15] можно выделить три режима процесса. Если концентрация кремния в сплаве превышает 15 мае. %, то его достаточно для образования сплошной пассивирующей плёнки SiO2. В этом случае процесс завершается на первой стадии. При концентрации кремния в сплаве, меньшей 15 мае. %, но большей 3 мае. %, кремния в сплаве хватает лишь для образования сплошной плёнки Co2SiO4, и процесс завершается на второй стадии. Если концентрация кремния ниже 3 мае. %, то процесс завершится на третьей стадии, а защитная плёнка, как и на чистом кобальте, будет состоять из СоО, а кремний в виде локальных включений Co2SiO4 будет входить в её внутренний подслой. Зависимость структуры пассивирующей плёнки от содержания кремния в сплаве подтверждена экспериментально [8].

Таким образом, электрохимическая устойчивость сплавов системы кобальт - кремний целиком определяется содержанием в них кремния.

Заключение

  • 1.    Построена фазовая диаграмма состояния системы Co-Si-O при 25 °C и 1 атм (воздух). Показано, что химическая устойчивость сплавов Co-Si при низких температурах определяется только кремнием.

  • 2.    Построены диаграммы потенциал - pH систем Со-Н2О и Co-Si-H2O при 25 °C, 1 атм (воздух) и различных активностях ионов в растворе. Показано, что в кислых средах первичная пасси-вационная плёнка на сплавах Co-Si представляет собой чистый кремнезём. В нейтральных и щелочных средах она по мере снижения содержания кремния в сплавах может состоять из SiO2, Co2SiO4 или СоО.

Список литературы Термодинамика химической и электрохимической устойчивости силицидов кобальта

  • Dark, A.M. The Oxidation Behaviour of Some Cobalt-Based Amorphous Alloys/A.M. Dark,G. Wei, B. Cantor//Mater. Sci. Eng. -1988. -P. 533-537.
  • Аллотропные металлические сплавы: пер. с англ./под ред. Ф.Е. Люборского. -М.: Металлургия, 1987.-584 с.
  • Глезер, A.M. Структура и механические свойства аморфных сплавов/A.M. Глезер,Б.В. Молотилов. -М.: Металлургия, 1992. -206 с.
  • Шеин, А.Б. Электрохимическое поведение силицида кобальта Co2Si в кислотах/А.Б. Шеин//Защита металлов. -2000. -Т. 36, № 2. -С. 190-194.
  • Шеин, А.Б. Коррозионно-электрохимическое поведение моносилицида кобальта в кислых растворах/А.Б. Шеин//Защита металлов. -1989. -Т. 25, № 1. -С. 112-114.
  • Шеин, А.Б. Выделение водорода на моносилициде кобальта в сернокислом электролите, содержащем поверхностно-активные вещества/А.Б. Шеин//Электрохимия. -1988. -Т. 24. -Вып. 10.-С. 1335-1338.
  • Шеин, А.Б. Электрохимическое поведение эвтектических сплавов силицидов и германидов металлов подгруппы железа с кремнием и германием/А.Б. Шеин//Защита металлов. -1998. -Т. 34, № 1.-С. 25-28.
  • Шеин, А.Б. Анодное растворение силицидов кобальта в щелочном электролите/А.Б. Шеин, И.Л. Сергеева//Защита металлов. -2004. -Т. 40, № 6. -С. 624-628.
  • Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник/под ред. Н.П. Ляки-шева. -М.: Машиностроение, 1997. -Т. 1. -С. 80-82.
  • Тюрин, А.Г. Термодинамика химической и электрохимической устойчивости сплавов: учеб. пособие. Ч. 1: Общие принципы. Высокотемпературное окисление/А.Г. Тюрин. -Челябинск: Изд-во Челяб. гос. ун-та, 2004. -86 с.
  • Могутнов, Б.М. Термодинамика сплавов железа/Б.М. Могутнов, И.А. Томилин, Л.А. Шварцман. -М.: Металлургия, 1984. -208 с.
  • Рузинов, Л.П. Равновесные превращения металлургических реакций/Л.П. Рузинов,Б.С. Гуляницкий. -М.: Металлургия, 1975. -416 с.
  • Физико-химические свойства окислов: справочник/под ред. Г.В. Самсонова -М.: Металлургия, 1978. -472 с.
  • Справочник по электрохимии/под ред. A.M. Сухотина. -Л.: Химия, 1981. -488 с.
  • Тюрин, А.Г. Термодинамическая оценка влияния кремния на химическую и электрохимическую устойчивость железохромистых сплавов/А.Г. Тюрин//Защита металлов. -2004. -Т.40.-№1.-С. 19-27.
Еще
Статья научная