Вагнеровский параметр взаимодействия водорода с никелем в жидкой стали

К растворам водорода в жидких сплавах системы Fe – Ni применена простейшая модель структуры и межатомного взаимодействия, которая ранее (2019 – 2021) использована авторами для растворов азота в сплавах систем Fe – Cr, Fe – Mn, Fe – Ni, Ni – Co и Ni – Cr. Теория основана на решеточной модели растворов Fe – Ni. Предполагается модельная решетка типа ГЦК. В узлах этой решетки находятся атомы железа и никеля. Атомы водорода располагаются в октаэдрических междоузлиях. Атом водорода взаимодействует лишь с атомами металлов, находящимися в соседних с этим атомом узлами решетки. Это взаимодействие парное. Предполагается, что энергия этого взаимодействия не зависит ни от состава сплава, ни от температуры. Для простоты принимается, что жидкие растворы в системе Fe – Ni являются совершенными. В рамках предложенной теории представлено выражение для вагнеровского параметра взаимодействия водорода с никелем в жидкой стали. Правая часть соответствующей формулы представляет собой функцию отношения констант закона Сивертса для растворимости водорода в жидких железе и никеле. Значения этих констант для температуры 1873 К приняты равными K′_H(Fe) = 0,0025, K′_H(Ni) = 0,0040 % (по массе). При этом получена оценка для вагнеровского параметра взаимодействия водорода с никелем в жидкой стали ε_H^Ni = –0,54. Это соответствует значению лангенберговского параметра взаимодействия e_H^Ni = –0,002, что очень близко к экспериментальной оценке e_H^Ni = –0,0022.

1. Вагнер К. Термодинамика сплавов. Москва: Металлургиздат, 1957. 179 с.

2. Langenberg F.C. Predicting solubility of nitrogen in molten steel // Journal of Metals. 1956. Vol. 8. No. 8. P. 1099–1101.

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

4. Большов Л.А. Статистическая теория многокомпонентных и малоконцентрированных сплавов: Диссертация … доктора физико-математических наук. Москва: МГУ, 1991. 496 с.

5. Schürmann E., Kättlitz W. Äquivalente Wirkung der Legierungselemente auf die konzentrations- und temperaturabhängige Wasserstofflöslichkeit in eisenreichen Drei- und Mehrstoffschmelzen // Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1981. Vol. 52. No. 8. P. 295–301.

6. Apa L. Solubility of hydrogen in nickel, cobalt and their alloys calculated by the alloying element equivalence method. Comparison with solubility in iron alloys // Metalurgia (Bucharest). 1988. Vol. 40. No. 5. P. 236–242.

7. Бурылев Б.П. Растворимость водорода в жидких сплавах железа // Известия вузов. Черная металлургия. 1965. № 2. С. 17–23.

8. Jiang G.-R., Li Y.-X., Liu Y. Calculation of hydrogen solubility in molten alloys // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011. Vol. 21. No. 5. P. 1130–1135. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(11)60832-7

9. Люпис К. Химическая термодинамика материалов. Москва: Металлургия, 1989. 504 с.

10. Sieverts A. Zur Kenntnis der Okklusion und Diffusion von Gasen durch Metalle // Zeitschrift für physikalische Chemie. 1907. Vol. 60. No. 2. Р. 129–201. https://doi.org/10.1515/zpch-1907-6009

11. Sieverts A. Die Löslichkeit von Wasserstoff in Kupfer, Eisen und Nickel // Zeitschrift für physikalische Chemie. 1911. Vol. 77. No. 5. P. 591–613. https://doi.org/10.1515/zpch-1911-7737

12. Sieverts A., Zapf G., Moritz H. Die Löslichkeit von Wasserstoff, Deuterium und Stickstoff in Eisen // Zeitschrift für physikalische Chemie. 1938. Vol. A183. No. 1. P. 19–37. https://doi.org/10.1515/zpch-1939-18304

13. Liang H., Bever M.B., Floe C.F. The solubility of hydrogen in molten iron-silicon alloys // Transactions of AIME. 1946. Vol. 167. No. 2. P. 395–403.

14. Карнаухов М.М., Морозов А.Н. Растворимость водорода в жидком железе и его сплавах с титаном, ниобием и танталом // Известия АН СССР. Отделение технических наук (ОТН). 1948. № 12. С. 1845–1855.

15. Busch T., Dodd R.A. The solubility of hydrogen and nitrogen in liquid alloys of iron, nickel and cobalt // Transactions of the Metallurgical Society of AIME. 1960. Vol. 218. No. 3. P. 488–491.

16. De Kazinczy F., Lindberg O. Solubility of hydrogen in Fe-Ni and Fe-Cr alloys at 1400 and 1600 °C // Jernkontorets Annaler. 1960. Vol. 144. No. 4. P. 288–296.

17. Schenck H., Wünsch H. Über die Gleichgewichtslöslichkeit des Wasserstoffs im flüssigen reinen Nickel und Eisen und die Beeinflussung im Eisen durch Sauerstoff //Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1961. Vol. 32. No. 11. P. 779–790.

18. Maekawa S., Nakagawa Y. The solubility of hydrogen in liquid iron and iron alloys. Report 1 // Research Reports of the Japan Steel Works, Ltd. March 1, 1961, 20 p.

19. Weinstein M., Elliott J.F. Solubility of hydrogen in liquid iron alloys // Transactions of the Metallurgical Society of AIME. 1963. Vol. 227. No. 2. P. 382–393.

20. Bagshaw T., Engledow D., Mitchell A. Solubility of hydrogen in some liquid iron-based alloys // Journal of the Iron and Steel Institute. 1965. Vol. 203. No. 2. P. 160–165.

21. Schenck H., Lange K.W. Untersuchungen über die Wasserstofflöslichkeit in Fe, Ni, Co, Cu und deren binären Nickellegierungen // Archiv für das Eisenhüttenwesen. 1966. Vol. 37. No. 9. P. 738–748.

22. Someno M., Nagasaki K., Kadoi K. Solubility of hydrogen in li­quid iron and some binary iron alloys // Nippon kinzoku gakkai-shi. 1967. Vol. 31. No. 6. P. 729–734.

23. Gunji K., Matoba S., Ono K. Measurement of hydrogen solubility in liquid iron alloys // Nippon kinzoku gakkai-shi. 1967. Vol. 31. No. 1. P. 51–64.

24. Kato E., Fukuda Sh., Sugiyama T., Furukawa T. Solubility of hydrogen in liquid iron alloys // Tetsu-to-Nagane. 1970. Vol. 56. No. 5. P. 521–535.

25. Blossey R.G., Pehlke R.D. Solubility of hydrogen in liquid

26. Fe-Co-Ni alloys // Metallurgical Transactions. 1971. Vol. 2. No. 11. P. 3157–3161.

27. Нгуен Нгиа, Явойский В.И., Костерев Л.Б., Афанасьев М.И. Растворимость водорода в бинарных расплавах на основе железа // Известия АН СССР. Металлы. 1972. № 4. С. 18–23.

28. Boorstein W.M., Pehlke R.D. Measurement of hydrogen solubility in liquid iron alloys employing a constant volume technique // Me­tallurgical Transactions. 1974. Vol. 5. No. 2. P. 399–405. https://doi.org/10.1007/BF02644107

29. Bester H., Lange K.W. Wasserstofflöslichkeit in Eisen und flüssigen Eisen-, Mangan-, Chrom- und Siliziumlegierungen // Stahl und Eisen. 1977. Vol. 97. No. 21. P. 1037–1039.

30. Mitra M., Lange K.W. Experimental studies on hydrogen solubi­lity in liquid ternary iron-nickel-chromium alloys // Steel Research. 1990. Vol. 61. No. 8. P. 353–358. https://doi.org/10.1002/srin.199000361

31. Эллиот Дж.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. Москва: Металлургия, 1969. 252 с.

32. Sigworth G.K., Elliott J.F. The thermodynamics of liquid iron alloys // Metal Science. 1974. Vol. 8. No. 1. P. 298–310.

33. Григорян В.А., Белянчиков Л.Н., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов. Москва: Металлургия, 1987. 272 с.

34. Sieverts A., Krumbhaar W. Über die Löslichkeit von Gasen in Me­tallen und Legierungen // Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1910. Vol. 43. No. 1. P. 893–900. https://doi.org/10.1002/cber.191004301152

35. Weinstein M., Elliott J.F. The solubility of hydrogen in liquid pure metals: cobalt, chromium, copper and nickel // Transactions of the Metallurgical Society of AIME. 1963. Vol. 227. No. 1. P. 285–291.

36. Bagshaw T., Mitchell A. Solubility of hydrogen in some alloys of nickel // Journal of the Iron and Steel Institute. 1966. Vol. 204. No. 2. P. 87–90.

37. Lange K.W., Schenck H. Wasserstofflöslichkeit in Ni-Mo und Ni-W Legierungen // Zeitschrift für Metallkunde. 1969. Vol. 60. No. 1. P. 62–68.

38. Линчевский Б.В. Термодинамика и кинетика взаимодействия газов с жидкими металлами. Москва: Металлургия, 1986. 224 с.

39. Emi T., Pehlke R.D. Theoretical calculation of the solubility of hyd­rogen in liquid metals // Metallurgical Transactions. 1970. Vol. 1. No. 10. P. 2733–2747. https://doi.org/10.1007/BF03037808

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

41. Большов Л.А., Корнейчук С.К. Термодинамика жидких растворов азота в хроме // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 5. C. 387–393. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5-387-393

42. Gunji K., Ono K., Aoki Y. The effect of various elements on the solubility of hydrogen in liquid iron // Nippon kinzoku gakkishi. 1964. Vol. 28. No. 1. P. 64–68.

43. Большов Л.А. Термодинамика растворов водорода в жидких сплавах железа с переходными металлами // Журнал физичес­кой химии. 1997. Т. 71. №. 10. С. 1902–1903.

44. Большов Л.А., Корнейчук С.К., Большова Э.Л. Термодинамика растворов азота в жидком никеле // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 3. C. 200–204. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-3-200-204

45. Hultgren R., Desai P.D., Hawkins D.T., Gleiser M., Kelley K.K. Selected values of thermodynamic properties of binary alloys. Metals Park, Ohio: ASFM, 1973. 1435 p.

46. Большов Л.А., Корнейчук С.К. Значения термодинамических параметров взаимодействия в жидких бинарных сплавах // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 9. C. 713–718. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-9-713-718

47. Hardy H.K. A “subregular” solution model and its application to some binary alloy systems // Acta Metallurgica. 1953. Vol. 1. No. 1. P. 202–210.