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 R из расплава может выделиться тугоплавкое соединение - нитрид RN. Наибольшим сродством к азоту обладают элементы IVa подгруппы 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 BCD необходимо 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

Таблица 14

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

Таблица 15

Значения параметров взаимодействия

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-N при атм, дает точку (В) трехфазного равновесия ж + N_г + RN. Линии BF и BE, ограничивающие трехфазную область IV, соединяют точку В с 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

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.