Некоторые термодинамические аспекты восстановления Cr₂O₃ углеродом

С целью ресурсосбережения хрома представляет большой практический интерес технология дуговой наплавки порошковой проволокой, в которой в качестве наполнителей используются оксид хрома Cr₂O₃ и восстановитель – углерод. Проведена термодинамическая оценка вероятности протекания 16 реакций между ними в стандартных условиях и для некоторых реакций в условиях, отличных от стандартных, по табличным термодинамическим данным реагентов в интервале температур 1500 – 3500 К. В качестве стандартных состояний для реагентов рассматривали: Cr(ref) (опорное состояние, температура плавления 2130 К, температура кипения 2952 К), Cr(ж), Cr(г), Cr₂O₃ (кр, ж), Cr₂O₃ (ж), С(ref), а в качестве возможных продуктов реакции и стандартных состояний для них CO(г), CO₂ (г), Cr ₂₃C₆ (кр), Cr₇C₃ (кр), Cr₃C₂ (кр). Вероятность протекания реакций оценивали по стандартной энергии Гиббса реакций и по энергии Гиббса реакций, рассчитываемой по уравнению изотермы Вант-Гоффа. Учитывалось растворение хрома в металле наплавочной ванны или вероятные парциальные давления CO и CO₂ в газовой фазе, вычисляемые из равновесия реакции газификации углерода. Присутствие в порошковой проволоке для наплавки наряду с оксидом хрома Cr₂O₃ углерода в качестве восстановителя обязательно приведет к протеканию восстановительных реакций с образованием карбидов хрома, а возможно, и самого хрома. Наиболее вероятно образование карбида состава Cr₇C₃ (кр). При большем времени нахождения оксида хрома и углерода при температуре выше 2500 К более термодинамически вероятным является процесс образования хрома как компонента наплавочной ванны, а не его карбидов. Оксид хрома имеет наивысшую реакционную способность в состоянии Cr₂O₃ (ж). Наиболее вероятным является прямое восстановление. В качестве продукта окисления углерода наиболее вероятно образование CO(г). Растворение хрома в металле увеличивает термодинамическую вероятность протекания реакций с его образованием и еще больше понижает вероятность протекания реакций, в которых хром – исходное вещество.

1. Козырев Н.А., Бендре Ю.В., Горюшкин В.Ф., Шурупов В.М., Козырева О.Е. Термодинамика реакций восстановления WO3 углеродом // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2016. № 2. С. 15 – 17.

2. Бендре Ю.В., Горюшкин В.Ф., Крюков Р.Е., Козырев Н.А., Шурупов В.М. Некоторые термодинамические аспекты восстановления вольфрама из оксида WO кремнием // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 6. С. 3 481 – 485.

3. Бендре Ю.В., Горюшкин В.Ф., Крюков Р.Е., Козырев Н.А., Бащенко Л.П. Термодинамическая оценка процессов восстановления WO 3 углеродом и кремнием // Изв. вуз. Черная металлургия. 2018. Т. 61. № 3. С. 211 – 216.

4. Крюков Р.Е., Бендре Ю.В., Горюшкин В.Ф., Козырев Н.А., Шурупов В.М. Некоторые термодинамические аспекты восстановления WO алюминием // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 2.3 С. 128 – 133.

5. Choi J.H., Lee J., Yoo C.D. Dynamic force balance model for metal transfer analysis in arc welding // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. Vol. 34. P. 2658 – 2664.

6. Lu F., Wang H.P., Murphy A.B., Carlson B.E. Analysis of energy flow in gas metal arc welding processes through self-consistent three-dimensional process simulation // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2014. Vol. 68. P. 215 – 223.

7. Tashiro S., Zeniya T., Murphy A.B., Tanaka M. Visualization of fume formation process in arc welding with numerical simulation // Surface and Coatings Technology. 2013. Vol. 228. P. 301 – 305.

8. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник. Т. 1. Кн. 1 / Под ред. В.П. Глушко, Л.В. Гурвича и др. – М.: Наука, 1978. С. 22.

9. NIST-JANAF Thermochemical Tables 1985. Version 1.0 [Электронный ресурс]: data compiled and evaluated by M.W. Chase, C.A. Davies, J.R. Dawney, D.J. Frurip, R.A. Mc Donald, A.N. Syvernd. – Режим доступа: http://kinetics.nist.gov/janaf (Дата обращения 15.06.2019).

10. Hansen M., Anderko K. Constitution of binary alloys. 2 nd ed. – New York: McGraw Hill Companies Inc., 1958. – 1287 p.

11. Schastlivtsev V.M., Filippov M.A. Role of the Bogachev mints concept of metastability of austenite in choosing wear-resistant materials // Metal Science and Heat Treatment. 2005. Vol. 47. No. 1-2. P. 3 – 5.

12. Коробов Ю.С., Филиппов М.А., Макаров А.В., Верхорубов В.С., Невежин С.В., Кашфуллин А.М. Стойкость наплавленных слоев и напыленных покрытий со структурой метастабильного аустенита против абразивного и адгезионного изнашивания // Известия Самарского научного центра РАН. 2015. Т. 17. № 2. С. 224 – 230.

13. Metlitskii V.A. Flux-cored wires for arc welding and surfacing of cast iron // Welding International. 2008. Vol. 22. No. 11. P. 796 – 800.

14. Kejžar R., Grum J. Hardfacing of wear-resistant deposits by MAG welding with a flux-cored wire having graphite in its filling // Welding International. 2005. Vol. 20. No. 6. P. 961 – 976.

15. Lim S.C., Gupta M., Goh Y.S., Seow K.C. Wear resistant WC – Co composite hard coatings // Surface Engineering. 1997. Vol. 13. No. 3. P. 247 – 250.

16. Hardell J., Yousfi A., Lund M., Pelcastre L., Prakash B. Abrasive wear behaviour of hardened high strength boron steel // Tribology Materials, Surfaces and Interfaces. 2014. Vol. 8. No. 2. P. 90 – 97.

17. Filippov M.A., Shumyakov V.I., Balin S.A., Zhilin A.S., Lehchilo V.V., Rimer G.A. Structure and wear resistance of deposited alloys based on metastable chromium-carbon austenite // Welding International. 2015. Vol. 29. P. 819 – 822.

18. Li R., He D.Y., Zhou Z., Wang Z.J., Song X.Y., Li. R. Wear and high temperature oxidation behavior of wire arc sprayed iron based coatings // Surface Engineering. 2014. Vol. 30. P. 784 – 790.

19. Zhuk Yu. Super-Hard Wear-Resistant Coating Systems // Materials Technology. 1999. Vol. 14. P. 126 – 129.

20. Liu D.S., Liu R.P., Wei Y.H. Influence of tungsten on microstructure and wear resistance of iron base hardfacing alloy // Materials Science and Technology. 2014. Vol. 30. P. 316 – 322.

21. Ma H.R., Chen X.Y., Li J.W., Chang C.T., Wang G., Li H., Wang X.M., Li R.W. Fe-based amorphous coating with high corrosion and wear resistance // Surface Engineering. 2016. Vol. 46. P. 1 – 7.