Термодинамика двойных и многокомпонентных расплавов железа, никеля, меди Судавцова, Валентина Савельевна

Введение к работе

Актуальность работы. Широков применение сплавов в народном хозяйстве требует разработки научних основ получения металлических материалов, обладающих комплексом необходимых свойств. Основой для решения этой задачи являются термодинамические свойства двух-, трех- и многокомпонентных сплавов. Качество металлоизделий, отливок^ сварных швов в значительной степени зависит от содержания в них газов, вредное действие которых проявляется в образовании пор и трещин, резком ухудшении пластичности, ковкости и других механических свойств, В связи с этим большое значение приобретают.операции раскисления, десульфурации, дефосфорации я т.п. Для всех этих процессов особенно вачсным является поиск элементов, введение которых в расплав существенно понижало бы содержания и, соответственно, активности газов, серн, фосфора и других примесей, не ухудшая при этом тепло-, электропроводности, механических, технологических и других свойств. Легирование металлов и сплавов позволяет изменять их строение и существенно улучшать свойства, а также заменять дефицитные металлы более доступными. Особенно значительного улучшения качества сплавов можно достичь при проведении комплексного легирования.

Для решения этих задач очень перспективним является термодинамический метод, который не требует знания механизмов процессов и природы сил, вызывающих их, а также не предполагает использования какой-либо модели раствора или системы в целом. Опреде- ля'емые этим методом характеристики сплавов необходимы для прогнозирования их поведения в различных условиях, для выбора оптимальных режимов ряда технологических процессов: раскисления, легирования, сварки, пайки. С другой стороны, знание термодинамических свойств позволяет уточнять диаграммы состояния, пополнять справочники и создавать банки данных, проверять качество вновь создаваемых теорий, углублять представление о природе растворов и характере взаимодействий в них. Бее это свидетельствует об актуальности данной работа.

Исследования, выполненные Судавцовой B.C., являются составной частью работ, проводимых на кафедре физической химии Киевского университета по темам: "Исследование структуры и фазовых превращений в сталях и конденсированных системах на основе тугоплавких металлов" (Гос.регистрационный Я OI826020908), "Исследовать

структуру и физико-химические свойства комлозвдионннх материалов, применяемых в качестве теплозащитных и конструкционных покрытий и многокомпонентных катализаторов ка основе переходных металлов" (Гос.регистрационный № 01860089773).

Цель работы - получить массив надежных экспериментальных данных по термодинамическим свойствам металлических раоплавов, имеющих значение для металлургического и сварочного производства и разработать способы прогнозирования термодинамических характеристик расплавов из диаграмм состояния и из стандартных энтальпий образования соодишпяи.

Для достижения цели доставлены я решены следующие задачи:

1. Усовершенствованы метода электродвижущих сил и калориметрия, позволившие экспериментальным путем при высоких температурах (1600-2200 К) полупить достоверные термодинамические свойства важных в практическом отношении сплавов.

2. Разработаны варианты метода мгновенного фиксирования (ШЭ) э.д.с, позволяющие определять активности компонентов сплавов, независимо от места расположения юс в ряду напряжений. Методом калориметрии при 2700-1900 К исследованы тепловые эффекты, наблюдаемые при раскислении, десульфурации.

3. Проведено систематическое исследование термодинамических свойств двойных, тройных и сложнолегированных сплавов, одним из компонентов которых является железо, алюминий, никель, медь, кремний, олово.

4. Разработаны способы расчета термодинамических свойств раоплавов из диаграмм состояния, стандартных функций соединений.

5. Определены факторы, влияющие на термодинамические свойства расплавов различных типов систем, а также на раскислительные, десульфурирувдие и дегидрирующие свойства элементов в соответствующих сплавах.

Научная новизна. I. Различными вариантами метода электродвижущих сил и калориметрии получен комплекс термодинамических свойств двойных, тройных и многокомпонентных сплавов, имеющих важное практическое значение. Большинство систем исследовано впервые.

2. Разработан способ компьютерной экспертной оценки термодинамических свойств жидких сплавов, исследованных различными методами в широком интервале составов.

S. Предложены методики расчета термодинамических свойств жидких сплавов из диаграмм состояния эвтектического типа и с непре-

равными рядами твердих растворов, а также из стандартних термодинамических функций соединений,

4. Обоснована возможность и выполнены оценки раскислительных и деоульфурирующих свойств элементов из термохимических свойств ,ряда| многокомпонентных сплавов на основе железа,

6, 0 помощью установленных зависимостей термодинамических свойств двойных жидких сплавов от порядкового номера второго компонента лредоказанн свойства ранее неизученных и сложных в экспериментальном отношении систем.

В результате выполненных исследований существенно развита термодинамика металлических расплавов на основе железа, никеля, меди и других металлов, представляющих большой практический интерес для совершенствования процессов сварки, пайки, лужения, легирования, раскисления, деоульфурации.

Практическое значение. I. Полученные термодинамические свойства сплавов двойных я многокомпонентных систем использованы для уточнения й выведения наиболее достоверных данных.

3. Результата по термодинамическим свойствам жидких сплавов на основа железа, меди и никеля, а также по параметрам взаимодействия использованы для обоснования и совершенствования схем легирования материалов: проволок, применяемых для сварки сталей, медных и никелевых сплавов.

3. Данные по термодинамическим свойствам расплавов изученных систем могут быть использованы в качестве справочное, Они важны дли оптимизации технологических процессов в металлургии, сварке, при расчетах тепловых балансов процессов производство оталей, сплавов,

4.. Полученные данные по термодинамическим свойствам расплавов систем, содержащих серу, кислород или водород могут быть использованы для выбора научно обоснованных технологических параметров процессов" раскисления, десульфурации, дегидрирования. Автором выносятся на защиту следующие положения:

I. Методики и результаты исследования термодинамических свойств расплавов: а) двойных систем, одним из Компонентов которых является Ге.Аі' ,&l ,Ж ,St' ,S'n ; б) тройных сплавов систем FeSi -(W, М*',7г ,/№). Fe -At -Мп, Si- М -Tt (?r,U/,//6, У, Та>Мо); Мі -А% -(ІУв-*, Ув-, У1в-металлы) { в) квазибинарных систем, содержащих моносилициды железа, моноалюминиды железа или марганца; г) тройных сплавов кислород-, серо- и водородсодержамих систем на основе железа, никеля, меди; д) многокомпонентных на основе же-

Л83Э; НИКеЛЯ .

2. Закономерности изменения парциальных мольных энтальпии металлов двойных сплавов на основе ё, fl/i , Си,№ ,Si' ,Sn * анализ факторов, определяющих раскяслительные и десульфурирувщие свойства металлов в расплавах_на основа железа, никеля, «едя.

3. Метод расчета &ІЇІ ,й$_і компонентов расплавов из диаграмм состояния систем с эвтектиками и непрерывными рядами твердых растворов.

4. Способ компьютерной экспертной оценки термодинамических свойств по данным различных исследований.

5. Прогнозирование термодинамических свойств расплавов, компоненты которых в твердом состояния образуют интврметаллиды из стандартных функций соединений.

Авторский вклад. Основной объем экспериментальных и теоретических исследований термодинамических свойств сплавов, обработка, результатов методами математической статистики выполнен диссертантом лично.

Апробация работы. Результаты работы доложены на Украинских республиканских конференциях по физической химии (Харьков,1974) и физико-химическому анализу (Полтава, 1975; Симферополь, 1978), на ІУ, 7 Всесоюзных совещаниях по термодинамике металлических сплавов (Алма-Ата, 1979; Москва, 1985), на Всесоюзных конференциях по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов (Свердловск, 1974, I97S, 1978, 1983, 1986; Челябинок, 1990), на П Всесоюзном совещании по физико-химическому анализу (Москва, 1983), на I Всесоюзной конференции по калориметрии й химической термодинамике (Москва, 1984), на Всесоюзных совещаниях по диаграммам состояния металлических систем (Москва, 1978, 1982, 1989), на Всесоюзной конференции по термическому анализу (Ужгород, 1985), на Всесоюзных конференциях по термодинамике й материаловедению полупроводников (Москва, 1986_t 1989), на Всесоюзных конференциях по сварочным материалам (Череповец, 1983; Одесса 1987), на Республиканской конференций по физико-химическим основам производства металлических сплавов (Алма-Ата, 1990), на X Всесоюзной конференции по физико-химическим основам металлургических процессов (Москва, 1991), на ХП Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Баку, 1985), Международном семинаре по сварочным материалам для механизированных способов сварки стали (Никополь, 1990)._

Публикации. По материалам Диссертация опубликовано 9,$ статьи.

Перечень основных публикаций приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Текст изложен на 473 машинописных спраницах, в их числе 127 таблиц, 250 рисунков. Список литературы включает 540 наименований работ советских и зарубежных авторов.