blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2024-3-360-365blackmet-2740Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESФизико-химические процессы азотирования ферросиликохрома в режиме фильтрационного горенияPhysical and chemical processes during nitriding of chromium ferrosilicon by filtration combustionhttps://orcid.org/0000-0001-6772-8192БолгаруК. А.BolgaruK. A.

Константин Александрович Болгару, к.т.н., старший научный сотрудник

Россия, 634055, Томск, Академический пр., 10/4

Konstantin A. Bolgaru, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

10/4 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

kbolgaru2008@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5269-8576РегерА. А.RegerA. A.

Антон Андреевич Регер, младший научный сотрудник

Россия, 634055, Томск, Академический пр., 10/4

Anton A. Reger, Junior Researcher

10/4 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

regerwork1@gmail.comВерещагинВ. И.VereshchaginV. I.

Владимир Иванович Верещагин, д.т.н., профессор

Россия, 634050, Томск, пр. Ленина, 30

Vladimir I. Vereshchagin, Dr. Sci. (Eng.), Prof.

30 Lenina Ave., Tomsk 634050, Russian Federation

vver@tpu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7020-969XАкулинкинА. А.AkulinkinA. A.

Александр Александрович Акулинкин, младший научный сотрудник

Россия, 634055, Томск, Академический пр., 10/4

Aleksandr A. Akulinkin, Junior Researcher

10/4 Akademicheskii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

akulinkinalex@gmail.comТомский научный центр Сибирского отделения РАНРоссияTomsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНациональный исследовательский Томский политехнический университетРоссияNational Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian Federation202416062024673360365Copyright © Болгару К.А., Регер А.А., Верещагин В.И., Акулинкин А.А., 20242024Болгару К.А., Регер А.А., Верещагин В.И., Акулинкин А.А.Bolgaru K.A., Reger A.A., Vereshchagin V.I., Akulinkin A.A.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/2740

В работе изучены процессы азотирования ферросиликохрома в режиме горения в условиях естественной фильтрации азота и представлены результаты исследования влияния основных параметров синтеза (давление газообразного азота, диаметр образцов и размер исходных частиц) на максимальную температуру и процесс горения исходной порошковой шихты. Горение ферросиликохрома протекает устойчиво в стационарном режиме с образованием макрооднородной азотированной композиции, которая по результатам рентгенофазового анализа содержит в своём составе две нитридные фазы – нитрид хрома и нитрид кремния. Взаимодействие исходного порошка с газообразным азотом в режиме фильтрационного горения протекает по следующей вероятной химической реакции: 3CrSi2 + 3Si + 3FeSi2 + 11,5N2 = 3CrN + 5Si3N4 + 3Fe. Увеличение диаметра исходных образцов незначительно влияет на количество поглощеного азота и приводит к замедлению продвижения фронта волны горения. При повышении давления газообразного реагента наблюдается увеличение количества поглощенного азота и скорости горения. Более тонкое измельчение исходного порошка позволяет увеличить коли­чество поглощенного азота и скорость горения. Определено, что при уплотнении исходного образца реализовать реакцию горения невозможно. Максимальная температура горения в зависимости от условий азотирования изменяется в пределах от 2400 до 2650 °С и повышается при увеличении давления газообразного азота, диаметра исходных образцов и дисперсности порошка ферросиликохрома. Реализовать азотирование ферросиликохрома в режиме горения возможно при давлении газообразного азота не менее 3 МПа, диаметре исходных образцов не менее 3,5 см и размере исходных частиц не более 100 мкм. Оптимальными параметрами азотирования ферросиликохрома является давление газообразного азота 5 МПа, диаметр образцов 5 см, размер исходных частиц менее 100 мкм и насыпная плотность порошка 2,23 г/см3.

In this paper, the nitriding of chromium ferrosilicon is carried out in the combustion mode under the condition of natural nitrogen filtration. The authors studied the effect of the key parameters (pressure of gaseous nitrogen, diameter and dispersity of starting samples) on the maximum temperature and combustion of the starting powder mixture based on chromium ferrosilicon. The combustion synthesis of chromium ferrosilicon proceeds steadily in the stationary mode with formation of a macrohomogeneous nitrided composition which, according to the results of X-ray phase analysis, contains two nitride phases - chromium nitride and silicon nitride. Interaction of the initial powder with gaseous nitrogen in the filtration combustion mode proceeds by the following probable chemical reaction: 3CrSi2 + 3Si + 3FeSi2 + 11.5N2 = 3CrN + 5Si3N4 + 3Fe. Increasing the diameter of the starting samples slightly affects the amount of absorbed nitrogen and slows the propagation of the combustion wave front. An increase in the pressure of gaseous nitrogen increases the amount of absorbed nitrogen and the combustion rate. Increasing the dispersity of the starting powder increases the amount of absorbed nitrogen and the combustion rate. It was found that the combustion reaction is not possible with a dense initial sample. The maximum combustion temperature, depending on the nitriding conditions, varies between 2400 and 2650 °C and increases with increasing gaseous nitrogen pressure, diameter of the initial samples and dispersion of chromium ferrosilicon powder. It is possible to realize nitriding of chrome ferrosilicon in the combustion mode at the pressure of gaseous nitrogen not less than 3 MPa, diameter of initial samples not less than 3.5 cm and size of initial particles not more than 100 μm. Optimal parameters of nitriding are gaseous nitrogen pressure of 5 MPa, diameter of samples 5 cm, size of initial particles less than 100 μm and bulk density of samples (2.23 g/cm3).

самораспространяющийся высокотемпературный синтезфильтрационное горениеазотированиенитридыферросплавпорошковая металлургияself-propagating high-temperature synthesiscombustion synthesisnitridingnitridesferroalloypowder metallurgyReferencesЧухломина Л.Н., Витушкина О.Г. СВС-азотирование ферросилиция в присутствии ильменита. Известия вузов. Серия: Химия и химическая технология. 2011;54(5): 105–108.Chukhlomina L.N., Vitushkina O.G. SHS nitriding of ferrosilicon with ilmenite. ChemChemTech. 2011;54(5):105–108. (In Russ.).Болгару К.А., Верещагин В.И., Регер А.А. Синтез композиции нитридов кремния, алюминия и циркония азотированием в режиме горения сложного ферросплава – ферроалюмосиликоциркония. Известия вузов. Серия: Химия и химическая технология. 2021;64(7):68–74. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216407.6362Bolgaru K.A., Vereshchagin V.I., Reger A.A. Synthesis of composite of silicon nitride, aluminium nitride, zirconium nitride from complex ferroalloy – ferro-aluminium-silicon-zirconium by nitriding in combustion mode. ChemChemTech. 2021;64(7):68–74. (In Russ.). https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216407.6362Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. Москва: Машинострое­ние; 2007:567.Amosov A.P., Borovinskaya I.P., Merzhanov A.G. Powder Technology of Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Materials. Moscow: Mashinostroenie. 2007:567.Won H.I., Won C.W., Nersisyan H.H., Yoon K.S. Salt-assisted combustion synthesis of silicon nitride with high α-phase content. Journal of Alloys and Compounds. 2010;496(1-2): 656–659. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.02.157Won H.I., Won C.W., Nersisyan H.H., Yoon K.S. Salt-assisted combustion synthesis of silicon nitride with high α-phase content. Journal of Alloys and Compounds. 2010;496(1-2): 656–659. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.02.157Yeh C.L., Liu E.W. Combustion synthesis of chromium nitrides by SHS of Cr powder compacts under nitrogen pressures. Journal of Alloys and Compounds. 2006;426(1-2): 131–135. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.01.082Yeh C.L., Liu E.W. Combustion synthesis of chromium nitrides by SHS of Cr powder compacts under nitrogen pressures. Journal of Alloys and Compounds. 2006;426(1-2): 131–135. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.01.082Yeh C.L., Chuang H.C. Experimental studies on self-propagating combustion synthesis of niobium nitride. Ceramics International. 2004;30(5):733–743. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2003.10.001Yeh C.L., Chuang H.C. Experimental studies on self-propagating combustion synthesis of niobium nitride. Ceramics International. 2004;30(5):733–743. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2003.10.001Zhang J., Ge Y., Tian Z., Sun S., Cui W., Liu G., Chen K. Combustion synthesis of α-Si3N4 with green additives. Ceramics International. 2019;45(5):6594–6596. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.12.147Zhang J., Ge Y., Tian Z., Sun S., Cui W., Liu G., Chen K. Combustion synthesis of α-Si3N4 with green additives. Ceramics International. 2019;45(5):6594–6596. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.12.147Zhang Y., He X., Han J., Du S. Combustion synthesis of hexa­gonal boron–nitride-based ceramics. Journal of Mate­rials Processing Technology. 2001;116(2-3):161–164. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(01)01023-8Zhang Y., He X., Han J., Du S. Combustion synthesis of hexa­gonal boron–nitride-based ceramics. Journal of Materials Processing Technology. 2001;116(2-3):161–164. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(01)01023-8Chen Y.X., Li J.T., Du J.S. Cost effective combustion synthesis of silicon nitride. Materials Research Bulletin. 2008;43(6):1598–1606. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2007.06.051Chen Y.X., Li J.T., Du J.S. Cost effective combustion synthesis of silicon nitride. Materials Research Bulletin. 2008;43(6):1598–1606. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2007.06.051Won H.I., Won C.W., Nersisyan H.H., Yoon K.S. Salt-assisted combustion synthesis of silicon nitride with high α-phase content. Journal of Alloys and Compounds. 2010;496(1–2): 656–659. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.02.157Won H.I., Won C.W., Nersisyan H.H., Yoon K.S. Salt-assisted combustion synthesis of silicon nitride with high α-phase content. Journal of Alloys and Compounds. 2010;496(1–2): 656–659. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.02.157Juang R.C., Chen C.C. Combustion synthesis of hexagonal aluminum nitride crystal by aluminum carbides. Materials Science and Engineering: A. 2007;458(1–2):210–215. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.01.004Juang R.C., Chen C.C. Combustion synthesis of hexagonal aluminum nitride crystal by aluminum carbides. Materials Science and Engineering: A. 2007;458(1–2):210–215. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.01.004Fang S. Morphological study of a cubic boron nitride (CBN) cutting tool and characterization of its wear scena­rios in abrasive machining process. Ceramics International. 2020;46(11B):19491–19498. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.04.302Fang S. Morphological study of a cubic boron nitride (CBN) cutting tool and characterization of its wear scena­rios in abrasive machining process. Ceramics International. 2020;46(11B):19491–19498. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.04.302Sugihara T., Nishimoto Y., Enomoto T. Development of a novel cubic boron nitride cutting tool with a textured flank face for high-speed machining of Inconel 718. Precision Engineering. 2017;48:75–82. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2016.11.007Sugihara T., Nishimoto Y., Enomoto T. Development of a novel cubic boron nitride cutting tool with a textured flank face for high-speed machining of Inconel 718. Precision Engineering. 2017;48:75–82. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2016.11.007Akulinkin A., Bolgaru K., Reger A. Facile synthesis of porous g-C3N4/β-SiAlON material with visible light photocatalytic activity. Materials Letters. 2021;305:130788. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130788Akulinkin A., Bolgaru K., Reger A. Facile synthesis of porous g-C3N4/β-SiAlON material with visible light photocatalytic activity. Materials Letters. 2021;305:130788. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130788Hua Q., Ma B., Hu W. Aluminum, gallium, and indium nitrides. Encyclopedia of Materials: Technical Ceramics and Glasses. 2021;3:74–83. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.12065-XHua Q., Ma B., Hu W. Aluminum, gallium, and indium nitrides. Encyclopedia of Materials: Technical Ceramics and Glasses. 2021;3:74–83. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.12065-XЗиатдинов М.Х. Из истории азотированных ферросплавов. Известия вузов. Черная металлургия. 2020; 63(10):773–781. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-10-773-781Ziatdinov M.Kh. From the history of nitrided ferroalloys. Iz­­vestiya. Ferrous Metallurgy. 2020;63(10):773–781. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-10-773-781Манашев И.Р., Гаврилова Т.О., Шатохин И.М., Зиатдинов М.Х., Леонтьев Л.И. Утилизация дисперсных отходов ферросплавного производства на базе металлургического СВС-процесса. Известия вузов. Черная металлургия. 2020;63(8):591–599. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-591-599Manashev I.R., Gavrilova T.O., Shatokhin I.M., Ziatdinov M.Kh., Leont’ev L.I. Utilization of dispersed waste of ferroalloy production on the basis of metallurgical SHS-process. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2020;63(8):591–599. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2020-8-591-599Zhang M., Chen Z., Huang J., Wang S., Xiong Q., Feng Z., Liu Q., Sun Z., Li X. In situ nitriding reaction formation of β-Sialon with fibers using transition metal catalysts. Ceramics International. 2019;45(17A):21923–21930. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.204Zhang M., Chen Z., Huang J., Wang S., Xiong Q., Feng Z., Liu Q., Sun Z., Li X. In situ nitriding reaction formation of β-Sialon with fibers using transition metal catalysts. Ceramics International. 2019;45(17A):21923–21930. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.204Chukhlomina L.N., Maksimov Yu.M., Kitler V.D., Vitushkina O.G. Mechanism and features of nitriding of ferrosilicon in the combustion regime. Combustion, Explosion, Shock Waves. 2006;42(3):309–316. https://doi.org/10.1007/s10573-006-0056-0Chukhlomina L.N., Maksimov Yu.M., Kitler V.D., Vitushkina O.G. Mechanism and features of nitriding of ferrosilicon in the combustion regime. Combustion, Explosion, Shock Waves. 2006;42(3):309–316. https://doi.org/10.1007/s10573-006-0056-0Ma C., Li Y., Chen J., Zhu S., Li B. Cost-effective manufacture and synthesis mechanism of ferrosilicon nitride porous ceramic with interlocking structure. Ceramics International. 2021;47(4):5265–5272. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.10.107Ma C., Li Y., Chen J., Zhu S., Li B. Cost-effective manufacture and synthesis mechanism of ferrosilicon nitride porous ceramic with interlocking structure. Ceramics International. 2021;47(4):5265–5272. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.10.107Ziatdinov M.Kh., Shatokhin I.M. Self-propagating high-temperature synthesis of ferrosilicon nitride. Steel in Translation. 2008;38(1):39–44. https://doi.org/10.3103/S0967091208010130Ziatdinov M.Kh., Shatokhin I.M. Self-propagating high-temperature synthesis of ferrosilicon nitride. Steel in Translation. 2008;38(1):39–44. https://doi.org/10.3103/S0967091208010130Зиатдинов М.Х., Шатохин И.М., Леонтьев Л.И. Технология СВС композиционных ферросплавов часть 1. Металлургический СВС процесс. Синтез нитридов феррованадия и феррохрома. Известия вузов. Черная металлургия. 2018;61(5):339–347. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-5-339-347Ziatdinov M.Kh., Shatokhin I.M., Leont’ev L.I. SHS technology of composition ferroalloys. Part I. Metallurgical SHS process. Synthesis of ferrovanadium and ferrochromium nitrides. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018;61(5):339–347. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-5-339-347Glazunov A.A., Maksimov Yu.M., Chukhlomina L.N., Braverman B.Sh., Avramchik A. N. Combustion of ferrotitanium in nitrogen. Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2020;56(2):137–141. https://doi.org/10.1134/S0010508220020033Glazunov A.A., Maksimov Yu.M., Chukhlomina L.N., Braverman B.Sh., Avramchik A. N. Combustion of ferrotitanium in nitrogen. Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2020;56(2):137–141. https://doi.org/10.1134/S0010508220020033Чухломина Л.Н., Максимов Ю.М., Верещагин В.И. Самораспространяющейся высокотемпературный синтез композиционных нитридсодержащих керамических материалов. Новосибирск: Наука; 2012:260.Chukhlomina L.N., Maksimov Yu.M., Vereshchagin V.I. Self-Propagating High–Temperature Synthesis of Composites Nitride-Based Materials. Novosibirsk: Nayka; 2012:260. (In Russ.).Bolgaru K., Reger A., Vereshchagin V., Akulinkin A. Combustion synthesis of porous ceramic β-Si3N4-based composites with the use of ferroalloys. Ceramics International. 2021;47(24):34765–4773. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.09.015Bolgaru K., Reger A., Verechchagin V., Akulinkin A. Combustion synthesis of porous ceramic β-Si3N4-based composites with the use of ferroalloys. Ceramics International. 2021;47(24):34765–4773. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.09.015

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