ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЗОТА С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ РАСПЛАВАМИ

При взаимодействии азота с расплавами, легированными карбидообразующими элементами, возможно образование раствора Fe–R–N, равновесного с газовой фазой, причем с увеличением содержания R увеличивается растворимость азота. При определенных содержаниях компонента Rиз расплава может выделиться тугоплавкое соединение – нитрид RN. Наибольшим сродством к азоту обладают элементы IVaподгруппы Ti, Zr, Ра,которые и используются в основном для свя­зывания азота в жидком металле.

Особенности взаимодействия азота с металлическими распла­вами отражает диаграмма состояний системы Me–R–N, фрагмент изотермического сечения которой в областях, богатых металлом, пред­ставлен на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Схема изометрического сечения диаграммы состояния системы Me–R–N

Линии, ограничивающие области стабильности фаз, описываются соответствующими уравнениями равновесной термодинамики.

Как видно из диаграммы, при небольших содержаниях нитридообразующего элемента существует двухфазная область стабильности жидкой фазы с газообразным азотом. Координаты линии АВ, разделя­ющей эту область (I) и область стабильности жидкости (II) можно определить, проанализировав уравнение [2]:

. (40)

При атм активность азота равна константе равновесия реакции (40). Концентрация азота в точке А равна его растворимости в бинарной системе Me–N.

Для построения линии BCDнеобходимо рассмотреть реакцию образования нитрида элемента R (табл. 13):

(41)

Значение константы равновесия реакции (41) можно определить, зная температурную зависимость изменения энергии Гиббса:

.

Рассматривая совместно с (40) равновесия следующих процессов (табл. 14):

; (42)

, (43)

выразим

.

Отметим, что в данном случае для азота и для элемента R за стандартное принято состояние 1%-ного разбавленного раствора.

Определяя активности с помощью параметров взаимодействия Вагнера (табл. 15) и учитывая, что для константы равновесия реак­ции (41), получаем

. (44)

Таблица 13

Изменение энергии Гиббса при растворении азота и элемента R

Растворитель	Реакция	Элемент	Дж/моль
A	B
			10 500	20,37
		–68 500	–27,28
		–80 300	–37,90
		–115 000	–31,41
			69 270	18,68
		–183 700	–9,85
		–202 100	–20,50
		–216 300	–17,45

 

Таблица 14

Изменение энергии Гиббса при образовании нитридов из чистых веществ (43) [1]

Элемент R
	A	B	A	B	A	B
–339 100	93,26	–364 410	92,59	–367 730	91,67

 

Таблица 15

Значения параметров взаимодействия

Растворитель
	0,045	–0,45	0,086	–0,22
	0,028	–0,63	0,059	–0,40
	0,018	–0,70	0,040	–0,61

 

Выражение (44) является уравнением, описывающим линию BCD. Очевидно, что это немонотонная функция, имеющая экстремумы. Про­дифференцировав уравнение (44) по содержанию компонента R, при условии можно определить его концентрацию , обеспечивающую минимальное содержание азота в расплаве :

. (45)

Пересечение изотермы нитридообразования (BCD) и линии (АВ),соответствующей растворимости азота в расплаве Fe–R–Nпри атм,дает точку (В)трехфазного равновесия ж + N_г + RN.

ЛинииBF и BE, ограничивающие трехфазную область IV, соединяют точку Вс фигуративными точками, соответствующими равно­весным фазам. Линия BЕ заканчивается на стороне [N]–[R] концен­трационного треугольника в точке, отвечающей соединению RN, а линия BF – в точке, соответствующей чистому азоту при атм.

 

Задание:

Используя необходимые данные (табл. 16) для системы Me–R–N, рассчитать:

1) линию, ограничивающую двухфазную область (ж+N₂) при давлении азота 1 атм (температура Т₁ и Т₂);

2) изотерму нитридообразования при температурах Т₁ и Т₂ при изменении содержания элемента R до 2 % (для раство­ров Fe) и 5 % (для растворов Ni);

3) условие минимального содержания азота в распла­ве при температуре Т₁ и Т₂.

Таблица 16

№ варианта	Исходные данные

 

Контрольные вопросы

1. Термодинамика растворения азота в металле.

2. Условия нитридообразования в чистом и легированном расплаве.

3. Влияние температуры на нитридообразование.

4. Расчет равновесной кривой нитридообразования.