blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2020-9-721-729blackmet-1981Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESРастворимость кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих борOxygen solubility in boron-containing Ni – Co meltsАлександровА. А.AleksandrovA. A.

к.т.н., старший научный сотрудник

119334, Москва, Ленинский пр., 49

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

Moscow

a.a.aleksandrov@gmail.comДашевскийВ. Я.DashevskiiV. Ya.

д.т.н., профессор кафедры энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий, заведующий лабораторией

119334, Москва, Ленинский пр., 49

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Energy-Efficient and Resource-Saving Industrial Technologies”, Head of the Laboratory

Moscow

vdashev@imet.ac.ruИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАНРоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, RASRussian Federation202016112020639721729Copyright © Александров А.А., Дашевский В.Я., 20202020Александров А.А., Дашевский В.Я.Aleksandrov A.A., Dashevskii V.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1981

Сплавы системы Ni – Co находят широкое применение в промышленности. Бор является одним из легирующих компонентов в этих сплавах. Для практики производства сплавов представляет значительный интерес изучение термодинамики растворов кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих бор. Проведен термодинамический анализ растворов кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих бор. Определены константа равновесия реакции взаимодействия бора с кислородом, растворенных в никелькобальтовых расплавах, коэффициенты активности при бесконечном разбавлении и параметры взаимодействия в расплавах различного состава при 1873 К. Рассчитаны значения параметров взаимодействия = –0,238 и = 0,674. При взаимодействии бора с кислородом в расплавах системы Ni – Co оксидная фаза помимо B2O3 содержит оксиды NiO и CoO. Рассчитаны значения мольных долей B2O3, NiO и CoO в оксидной фазе для различных концентраций бора в расплавах системы Ni – Co при 1873 К. В случае расплава никеля при содержаниях бора выше 0,01 % мольная доля оксида бора близка к единице. По мере увеличения в расплавах содержания кобальта до 20 % мольная доля оксида бора в оксидной фазе уменьшается, а затем практически не меняется. Рассчитаны зависимости растворимости кислорода в изученных расплавах от содержания кобальта и бора. Раскислительная способность бора незначительно уменьшается с увеличением содержания кобальта до 20 %, а далее возрастает по мере увеличения содержания кобальта в расплаве. Определены содержания бора в точках минимума на кривых растворимости кислорода и соответствующие им минимальные концентрации кислорода.

Alloys of the Ni – Co system are widely used in industry. B ron is one of the alloying components in these alloys. The study of thermodynamics of the oxygen solution in boron-containing Ni – Co melts is of considerable interest for the practice of such alloys production. Thermodynamic analysis of oxygen solutions in boron-containing Ni – Co melts has been carried out. The equilibrium constant of interaction of boron and oxygen dissolved in the nickel-cobalt melts, the activity coefficients at infinite dilution, and the interaction parameters characterizing these solutions were determined for melts of different composition at 1873 K. During interaction of boron with oxygen in Ni – Co melts, the oxide phase, in addition to B2O3, contains NiO and CoO. The values of the mole fractions of B2O3, NiO and CoO in the oxide phase for different boron concentrations in Ni – Co melts were calculated at 1873 K. In the case of nickel melt at boron contents above 0.01 %, the mole fraction of boron oxide is close to unity. As the cobalt content in the melts increases to 20 %, the mole fraction of boron oxide in the oxide phase decreases, and then practically does not change. Dependences of the oxygen solubility on the contents of cobalt and boron in the studied melts were calculated. The deoxidation ability of boron decreases slightly with increasing cobalt content up to 20 %, and then increases with increasing cobalt content in the melt. Boron contents in minimum points on the oxygen solubility curves and the corresponding minimum oxygen concentrations were determined.

никель-кобальтовые расплавыкислородбортермодинамический анализоксидная фазамольная доляпараметры взаимодействиярастворимостьnickel-cobalt meltsoxygenboronthermodynamic analysisoxide phasemole fractioninteraction parameterssolubilityРабота выполнена по государственному заданию № 075-00947-20-00.The work was performed in accordance with the state assignment No. 075-00947-20-00.ReferencesNickel, Cobalt, and Their Alloys / Ed. J.R. Davis. – ASM International – Materials Park, OH, USA, 2000. – 422 p.Nickel, Cobalt, and Their Alloys. Davis J.R. ed. ASM International – Materials Park, OH, USA, 2000, 422 p.Reed R.C. The Superalloys. Fundamentals and Applications. – Cambridge: University Press, 2006. – 372 p.Reed R.C. The Superalloys. Fundamentals and Applications. Cambridge: University Press, 2006, 372 p.Логунов А.В., Шмотин Ю.Н. Современные жаропрочные никелевые сплавы для дисковых газовых турбин (материалы и технологии) / Под. ред. С.Б. Масленкова. – М.: Наука и технологии, 2013. – 264 с.Logunov A.V., Shmotin Yu.N. Sovremennye zharoprochnye nikelevye splavy dlya diskovykh gazovykh turbin (materialy i tekhnologii) [Modern heat-resistant nickel alloys for disk gas turbines (materials and technologies)]. Maslenkov S.B. ed. Moscow: Nauka i tekhnologii, 2013, 256 p. (In Russ.).Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Борсодержащие стали и сплавы. – М.: Металлургия, 1986. – 192 с.Lyakishev N.P., Pliner Yu.L., Lappo S.I. Borsoderzhashchie stali i splavy [Boron Steels and Alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 192 p. (In Russ.).Бокштейн С.З., Василенок Л.Б., Каблов Е.Н., Радин И.В., Рябова Г.Г. Микролегирование бором и структурная стабильность никелевых сплавов // Металлы. 1986. № 6. С. 137 – 141.Bokshtein S.Z., Vasilenok L.B., Kablov E.N., Radin I.V., Ryabova G.G. Microalloying with boron and the structural stability of nickel alloys. Russian metallurgy. Metally. 1986, no. 6, pp. 142–146.Diabb J., Juárez-Hernandez A., Colas R., Castillo A.G., GarcíaSanchez E., Hernandez-Rodriguez M.A.L. Boron influence on wear resistance in nickel-based alloys // Wear. 2009. Vol. 267. No. 1-4. P. 550 – 555.Diabb J., Juárez-Hernandez A., Colas R., Castillo A.G., GarcíaSanchez E., Hernandez-Rodriguez M.A.L. Boron influence on wear resistance in nickel-based alloys. Wear. 2009, vol. 267, no. 1-4, pp. 550–555.Stahleisen Verlag; Eisenhüttenleute Verein Deutscher. – Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH, 1995. – 634 p.Stahleisen Verlag; Eisenhüttenleute Verein Deutscher. Düsseldorf: Verlag Stahleisen GmbH, 1995, 634 p. (In Germ.).Turkdogan E.T. Physical Chemistry of High Temperature Technology. – New York: Academic Press, 1980. – 447 p.Turkdogan E.T. Physical Chemistry of High Temperature Technology. New York: Academic Press, 1980., 447 p.Куликов И.С. Раскисление металлов. – М.: Металлургия, 1975. – 504 с.Kulikov I.S. Raskislenie metallov [Deoxidation of Metals]. Moscow: Metallurgiya, 1975, 504 p. (In Russ.).Куликов И.С. Термодинамика оксидов. – М.: Металлургия, 1986. – 344 с.Kulikov I.S. Termodinamika oksidov [Thermodynamics of Оxides]. Moscow: Metallurgiya, 1986, 344 p. (In Russ.).Seetharaman S. Fundamentals of Metallurgy. – Cambridge: Woodhead Publ., 2005. – 576 p.Seetharaman S. Fundamentals of Metallurgy. Cambridge: Woodhead Publ., 2005, 576 p.Белянчиков Л.Н. Универсальная методика пересчета значений параметров взаимодействия элементов с одной основы сплава на другую на базе теории квазирегулярных растворов. Часть II. Оценка параметров взаимодействия элементов в никелевых сплавах // Электрометаллургия. 2009. № 2. С. 29 – 38.Belyanchikov L.N. Universal technique for recalculating values of interaction parameters of elements from one alloy base to another based on theory of quasi-regular solutions. Part II. Evaluation of parameters of elements interaction in nickel alloys. Elektrometallurgiya. 2009, no. 2, pp. 29–38. (In Russ.).Turkdogan E.T. Fundamentals of Steelmaking. – Leeds: Maney Publ., 2010. – 345 p.Turkdogan E.T. Fundamentals of Steelmaking. Leeds: Maney Publ., 2010, 345 p.Александров А.А., Дашевский В.Я., Леонтьев Л.И. Термодинамика растворов кислорода в расплавах системы Fe – Ni, содержащих бор // Изв. вуз. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 3. С. 201 – 210.Aleksandrov A.A., Dashevskii V.Ya., Leont’ev L.I. Thermodynamics of oxygen solutions in boron-containing Fe – Ni melts. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018, vol. 61, no. 3, pp. 201–210. (In Russ.).Sigworth G.K., Elliott J.F., Vaughn G., Geiger G.H. The Thermodynamics of dilute liquid nickel alloys // Metallurgical Soc. CIM. 1977. Annual Volume. Vol. 16. No. 1. P. 104 – 110.Sigworth G.K., Elliott J.F., Vaughn G., Geiger G.H. The Thermodynamics of dilute liquid nickel alloys. Metallurgical Soc. CIM. 1977, annual volume, vol. 16, no. 1, pp. 104–110.Белянчиков Л.Н. Оценка параметров взаимодействия, коэффициентов активности и теплот растворения элементов в сплавах на основе кобальта методом пересчета с их значений в сплавах железа // Электрометаллургия. 2009. № 4. С. 16 – 22.Belyanchikov L.N. Estimation of interaction parameters, activity coefficients and heats of dissolution of elements in cobalt-based alloys by recalculating from their values in iron alloys. Elektrometallurgiya. 2009, no. 4, pp. 16–22. (In Russ.).Sigworth G.K., Elliott J.F. The thermodynamics of dilute liquid cobalt alloys // Canadian Metallurgical Quarterly. 1976. Vol. 15. No. 2. P. 123 – 127.Sigworth G.K., Elliott J.F. The thermodynamics of dilute liquid cobalt alloys. Canadian Metallurgical Quarterly. 1976, vol. 15, no. 2, pp. 123–127.Frohberg M.G., Wang M. Thermodynamic properties of sulfur in liquid copper-antimony alloys at 1473 K // Z. Metallkd. 1990. Vol. 81. No. 7. S. 513 – 515.Frohberg M.G., Wang M. Thermodynamic properties of sulfur in liquid copper-antimony alloys at 1473 K. Z. Metallkd. 1990, vol. 81, no. 7, pp. 513–515.Lupis C.H.P. Chemical Thermodynamics of Materials. – New-York; North-Holland: Elsevier Science Publ., 1983. – 581 p.Lupis C.H.P. Chemical Thermodynamics of Materials. New-York; North-Holland: Elsevier Science Publ., 1983, 581 p.Александров А.А., Дашевский В.Я. Термодинамика растворов кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих хром // Металлы. 2016. № 4. С. 71 – 78.Aleksandrov A.A., Dashevskii V.Ya. Thermodynamics of the oxygen solutions in chromium-containing Ni–Co melts. Russian Metallurgy (Metally). 2016, vol. 2016, no. 7, pp. 642–648.Ishii F., Ban-ya S. Deoxidation equilibrium of silicon in liquid nickel-copper and nickel-cobalt alloys // ISIJ International. 1993. Vol. 33. No. 2. P. 245 – 250.Ishii F., Ban-ya S. Deoxidation Equilibrium of silicon in liquid nickel-copper and nickel-cobalt alloys. ISIJ International. 1993, vol. 33, no. 2, pp. 245–250.Белянчиков Л.Н. Универсальная методика пересчета значений параметров взаимодействия элементов с одной основы сплава на другую на базе теории квазирегулярных растворов. Часть I. Теоретические основы и адекватность модели пересчета // Электрометаллургия. 2009. № 1. С. 23 – 29.Belyanchikov L.N. Universal technique for recalculating values of interaction parameters of elements from one alloy base to another based on theory of quasi-regular solutions. Part I. Theoretical foundations and adequacy of recalculation model. Elektrometallurgiya. 2009, no. 1, pp. 23–29. (In Russ.).Энциклопедический словарь по металлургии. Справочное издание. В 2-х т. Т. 1. / Под ред. Н.П. Лякишева. – М.: Интермет Инжиниринг, 2000. – 412 с.Entsiklopedicheskii slovar’ po metallurgii: Spravochnoe izdanie. V 2-ukh t. T. 1. [Encyclopedic Metallurgical Dictionary: Reference Ed. In 2 vols. Vol. 1]. Lyakishev N.P. ed. Moscow: Intermet Inzhiniring, 2000, 412 p. (In Russ.).Снитко Ю.П., Суровой Ю.Н., Лякишев Н.П. О связи параметров взаимодействия с атомными характеристиками компонентов // ДАН. 1983. Т. 268. № 5. С. 1154 – 1156.Snitko Yu.P., Surovoi Yu.N., Lyakishev N.P. On relationship between interaction parameters and atomic characteristics of the components. DAN. 1983, vol. 268, no. 5, pp. 1154–1156. (In Russ.).Hino M., Ito K. Thermodynamic Data for Steelmaking. – Tohoku University Press, Sendai, 2010. – 264 p.Hino M., Ito K. Thermodynamic Data for Steelmaking. Tohoku University Press, Sendai, 2010, 264 p.Дашевский В.Я., Александров А.А., Леонтьев Л.И. Термодинамика растворов кислорода в расплавах Ni – Co, содержащих марганец // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 6. С. 475 – 483.Dashevskii V.Ya., Aleksandrov A.A., Leont’ev L.I. Thermodynamics of oxygen solutions in manganese-containing Ni – Co melts. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 6, pp. 475–483. (In Russ.).Александров А.А., Дашевский В.Я. Термодинамика растворов кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих кремний // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 2. С. 163 – 167.Aleksandrov A.A., Dashevskii V.Ya. Thermodynamics of the oxygen solutions in silicon-containing Ni – Co melts. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019, vol. 62, no. 2, pp. 163–167. (In Russ.).Александров А.А., Дашевский В.Я. Растворимость кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих титан // Металлы. 2018. № 6. С. 81 – 87.Aleksandrov A.A., Dashevskii V.Ya. Oxygen Solubility in Titanium-Containing Melts of the Ni–Co System. Russian Metallurgy (Metally). 2018, vol. 2018, no. 11, pp. 1081–1087. (In Russ.).Александров А.А., Дашевский В.Я., Леонтьев Л.И. Термодинамика растворов кислорода в расплавах системы Ni – Co, содержащих алюминий // Металлы. 2017. № 4. С. 58 – 62.Aleksandrov A.A., Dashevskii V.Ya., Leont’ev L.I. Thermodynamics of the oxygen solutions in the aluminum-containing Ni–Co melts. Russian Metallurgy (Metally). 2017, vol. 2017, no. 7, pp. 590–593.Miki T. Dilute Solutions // Treatise on Process Metallurgy, Vol. 1: Process Fundamentals / Ed. S. Seetharaman. – Elsevier Ltd., 2014. P. 557 – 585.Miki T. Dilute Solutions. Treatise on Process Metallurgy. Vol. 1: Process Fundamentals. Seetharaman S. ed. Elsevier Ltd., 2014, pp. 557–585.Ishii F., Ban-ya S., Hino M. Thermodynamics of the deoxidation equilibrium of aluminum in liquid nickel and nickel-iron alloys // ISIJ International. 1996. Vol. 36. No. 1. P. 25 – 31.Ishii F., Ban-ya S., Hino M. Thermodynamics of the deoxidation equilibrium of aluminum in liquid nickel and nickel-iron alloys. ISIJ International. 1996, vol. 36, no. 1, pp. 25–31.Hultgren R., Desai P.D., Hawkins D.T., Gleiser M., Kelley K.K. Selected Values of the Thermodynamic Properties of Binary Alloys. – Ohio: Metals Park, Amer. Soc. Metals, 1973. – 1435 p.Hultgren R., Desai P.D., Hawkins D.T., Gleiser M., Kelley K.K. Selected Values of the Thermodynamic Properties of Binary Alloys. Ohio: Metals Park, Amer. Soc. Metals, 1973, 1435 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.