Термодинамический параметр взаимодействия первого порядка азота с марганцем в жидкой стали

Предложена простая теория термодинамических свойств жидких растворов азота в сплавах системы Fe – Mn. Эта теория полнос аналогична теории для жидких растворов азота в сплавах системы Fe – Cr, предложенной авторами ранее (2019 г.). Теория основана на решеточной модели растворов Fe – Mn. Предполагается модельная решетка типа ГЦК. В узлах этой решетки располагаются атомы железа и марганца. Атомы азота располагаются в октаэдрических междоузлиях. Атом азота взаимодействует лишь с атомами металлов, находящимися в соседних с этим атомом узлах решетки. Это взаимодействие парное. Предполагается, что энергия этого взаимодействия не зависит ни от состава сплава, ни от температуры. Принимается, что жидкие растворы в системе Fe – Mn являются совершенными. В рамках предложенной теории получено соотношение, которое выражает значение константы закона Сивертса для растворимости азота в жидком марганце через значение аналогичной величины для растворимости азота в жидком железе и значение вагнеровского параметра взаимодействия N – Mn в растворах на основе железа. Значения констант закона Сивертса в этом соотношении взяты непосредственно из эксперимента по измерению растворимости азота в жидких железе и марганце. При этом записанное соотношение рассматривается как уравнение относительно вагнеровского параметра взаимодействия N – Mn. Решение этого уравнения дает значение вагнеровского параметра взаимодействия ℇ^Mn_N = –5,25 в жидкой стали при температуре 1873 К. Вагнеровский параметр взаимодействия связан с лангенберговским параметром взаимодействия e^Mn_N соотношением, выведенным Люписом и Эллиотом в 1965 г. В это соотношение входят атомные массы железа и марганца. Подставляя в рассматриваемое соотношение найденное значение вагнеровского параметра взаимодействия и решая полученное уравнение относительно лангенберговского параметра взаимодействия, находим e^Mn_N = –0,0230. Это значение отвечает экспериментальным данным Бира (1961 г.). Оно представляется одним из наиболее правдоподобных экспериментальных значений для жидкой стали при температуре 1873 К. Другим таким значением представляется e^Mn_N = –0,0209, полученное Шином с сотрудниками в 2011 г.

термодинамика, растворы, азот, марганец, железо, коэффициенты активности, вагнеровский параметр взаимодействия, лангенберговский параметр взаимодействия, закон Сивертса

1. Некрасов Б.В. Основы общей химии. Т. 1. – М.: Химия, 1973. – 656 с.

2. Салихов Д.Н., Ковалев С.Г., Брусницын А.И. и др. Полезные ископаемые Республики Башкортостан (марганцевые руды). – Уфа: Экология, 2002. – 242 с.

3. Гудремон Э. Специальные стали. Т. 1. – М.: Металлургия, 1966. – 736 с.

4. Çakir O. Machinery of Hadfield steel: An overview // 2 nd Int. Conference on Advances in Mechanical Engineering, Istanbul, Turkey (10 – 13 May, 2016). Proceeding book. P. 227 – 232.

5. Wikipedia. List of countries by manganese production. [Electronic resource]. Available at URL: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_manganese_production (Accessed 10.30.2019).

6. Wikipedia. List of countries by steel production. [Electronic resource]. Available at URL: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_steel_production (Accessed 10.30.2019).

7. Дашевский В.Я., Александров А.А., Леонтьев Л.И., Овсянникова Г.А. Марганцевые ферросплавы из отечественных руд // Институт металлургии и материаловедения им. Байкова РАН 80 лет. Сборник научных трудов. – М.: Интерконтакт Наука, 2018. С. 313 – 316.

8. Wikipedia. Mangalloy. [Electronic resource]. Available at URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Mangalloy (Accessed 10.30.2019).

9. Wikipedia. TWIP steel. [Electronic resource]. Available at URL: https://en.wikipedia.org/wiki/TWIP_steel (Accessed 10.30.2019).

10. Grässel O., Frommenter G. Effect of martensitic phase transportation and deformation twinning on mechanical properties of Fe–Mn–SiAl steels // Material Science and Technology. 1998. Vol. 14. No. 2. P. 2013 – 2016.

11. Thermodynamic activity. [Electronic resource]. Available at URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Thermodynamic_activity (Accessed 10.30.2019 ).

12. Jensen W.B. Gilbert N. Lewis. American chemist (Encyclopaedia Britannica). [Electronic resource]. Available at URL: https://www.britannica.com/biography/Gilbert-N-Lewis (Accessed 10.30.2019).

13. Люпис К. Химическая термодинамика материалов. – М.: Металлургия, 1989. – 503 с.

14. Вагнер К. Термодинамика сплавов. – М.: Металлургиздат, 1957. – 179 с.

15. Lupis C.H.P., Elliott J.F. Therelation between interaction coefficients ε and e // Transactions of the Metallurgical Society of AIME. 1965. Vol. 233. No. 1. P. 257 – 258.

16. Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. – М.: Металлургия, 1987. – 272 с.

17. Большов Л.А. О растворимости азота в жидких многокомпонентных сплавах железа с переходными металлами // Изв. вуз. Черная металлургия. 1982. № 1. С. 8 – 10.

18. Большов Л.А. Статистическая теория многокомпонентных и малоконцентрированных сплавов: Дисс … докт. физ.-мат. наук. – М.: МГУ, 1991. – 496 с.

19. Sieverts A. ZurKenntnis der Okklusion und Diffusion von Gasen in Metalle // Zeitschrift für physikalische Chemie. 1907. Bd. 60. No. 2. S. 129 – 201.

20. Jachang Shin, Joonho Lee, Dong Joan Min, Joohin Park. Solubility of nitrogen in high manganese steel (HMnS) melts: interaction parameter between Mn and N // Metallurgical and Materials Transactions B. 2011. Vol. 42. No. 6. P. 1081 – 1085.

21. Wentrup H., Reif O. Über die Löslichkeit von Stickstoff in Eisenschmelzen mit Chrom-, Mangan- und Nickelzusätzen //Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1949. Bd. 20. No. 11 – 12. S. 359 – 362.

22. Saito T. Absorption of nitrogen by molten iron alloys. II. Study of Fe–Ni, Fe–Cr, and Fe–Mn alloys // Science Reports of the Research Institutes, Tohoku University. 1949. Vol. 1-A. P. 419 – 425.

23. Maekawa S., Nakagawa Y. Solubility of nitrogen in liquid iron and effect of carbon, silicon and manganese on the solubility // Tetsu-toHagane. 1960. Vol. 26. No. 7. P. 748 – 753.

24. Pehlke R.D., Elliott J.F. Solubility of nitrogen in liquid iron alloys // Trans. Met. Soc. AIME. 1960. Vol. 218. No. 6. P. 1088 – 1101.

25. Beer S.Z. Solubility of nitrogen in molten iron-manganese alloys // Transactions of the Metallurgical Society of AIME. 1961. Vol. 221. No. 1. P. 2 – 8.

26. Dodd R.A., Gokcen N.A. Solubility of nitrogen in liquid iron-manganese alloys // Transaction of the Metallurgical Society of AIME. 1961. Vol. 221. P. 233 – 236.

27. Schenck H., Frohberg M.G., Heinemann H. Untersuchungen zur Stickstoffaufname in flüssigen Eisenlegierungen in Druckbereich bis zu vier Atmosphären // Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1962. Bd. 33. No. 9. S. 593 – 600.

28. Narita K., Makino T. Report of Central Research Labs. No. 2087, Kobe Steel Works, 1968.

29. Cosma D. Dissolution of nitrogen in melts of Cr-, Mn-, Ni-, and N-alloyed stainless steel // Archivfür das Eisenhüttenwesen. 1970. Bd. 41. No. 2. S. 195 – 205.

30. Григоренко Г.М., Помарин Ю.М., Лакомский В.И., Шеревера А.М. Влияние температуры на растворимость азота в расплавах железо-марганец // Известия АН СССР. Металлы. 1974. № 6. С. 11 – 15.

31. Wada H., Pehlke R.D. Solubility of nitrogen in liquid Fe–Cr–Ni alloys containing manganese and molybdenum // Metallurgical and Materials Transactions B. 1977. Vol. 8B. No. 4. P. 675 – 682.

32. Ishii F., Ban-ya S., Fuwa T. Solubility of nitrogen in liquid iron alloys // Tetsu-to-Hagane. 1982. Vol. 68. P. 1551 – 1559.

33. Wada H., Lee S.W., Pehlke R.D. Nitrogen solubility in liquid Fe and Fe–Mn alloys // Metallurgical Transactions B. 1986. Vol. 17. No. 1. P. 238 – 239.

34. Rawers J.C., Gokcen N.A. Nitrogen concentration in liquid Fe-Mn alloys at high pressure // Phase Equilibria. 1993. Vol. 14. No. 2. P. 179 – 183.

35. Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов / В.А. Григорян, А.Я. Стомахин, Ю.И. Уточкин и др. – М.: МИСиС, 2007. – 318 с.

36. Большов Л.А., Корнейчук С.К. Термодинамика жидких растворов азота в хроме // Изв. вуз. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 5. C. 387 – 393.

37. Turnock H.H., Penlke R.D. The solubility of nitrogen in multicomponent liquid iron alloys // Transactions of the Metallurgical Society of AIME.1966. Vol. 236. No. 11. P. 1540 – 1547.

38. Бараташвили И.Б., Федотов В.П., Самарин А.М., Бережиани В.М. Растворимость азота в жидком марганце // Доклады Академии наук СССР. 1961. Т. 139. № 6. С. 1354 – 1355.

39. Kor C.J.W. The solubility of nitrogen in liquid manganese // Metallurgical Transactions B. 1978. Vol. 9. No. 2. P. 97 – 99.

40. Eui-Jun Kim, Jong-Jin Pak, Byng-Don You. Nitrogen solubility in liquid manganese and ferromanganese alloys // Metallurgical and Materials Transactions B. 2001. Vol. 32. No. 4. P. 659 – 668.