THERMOCHEMICAL STUDY OF THE FORMATION OF SILICIDES, BORIDES, CARBIDES IN Fe–Ni–Cr–Cu–Si–B–C ALLOY

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

To determine thermochemical characteristics: enthalpy, molar heat capacity and Gibbs energy of formation of silicides, borides and carbides in an alloy of a given composition (40Fe–31Ni–16Cr–5Cu–5Si–2B–1C) calculation methods were used using mixed GGA and GGA + U schemes (semi-empirically tuned generalized gradient approximations). Three modules of the HSC Chemistry 6.0 software package (Metso Outotec, version 6.0, Espoo, Finland) were used in the study. First, the “Reaction Equation” module was used to calculate the change in Gibbs free energy at different temperatures. Secondly, to calculate the composition of each chemical in the equilibrium state, the module “Equilibrium Composition” was used (“Equilibrium compositions” – calculation of equilibrium compositions of phases in the presence of reversible chemical reactions). Thirdly, the module “H, S, C and G diagrams” (“Graphs of thermodynamic functions” – plotting thermodynamic functions) was used to determine the relative phase stability of compounds depending on temperature in the form of Ellingham diagrams. The results of thermochemical modeling showed that the temperature dependences of the heat capacity of the formation of hardening compounds in the alloy increase with increasing temperature. Thermodynamic calculations of the enthalpies of the hardening phases in the alloy showed that at temperatures >1400°C, silicides, borides, and carbides are formed. ∆G(T) of silicides, there is an increase in the values of the Gibbs energy and a tendency towards stability with increasing temperature. During the formation of borides in the alloy, one can see a strong absorption of heat, an increase in the Gibbs energy in the studied temperature range. The results of calculating the Gibbs energy as a function of temperature showed the formation of carbides Ni3C, Fe3C, SiC, B4C, Cr3C2, Cr4C, Cr7C3. The formation of phases occurs with a decrease in the values of the Gibbs energy to a temperature of ~1500°C. A further increase in temperature indicates the absorption of heat, which is associated with a high ordering temperature of the carbide structures. Thus, the thermochemical study justified the formation of silicides, borides, carbides in the alloy 40Fe–31Ni–16Cr–5Cu–5Si–2B–1C.

About the authors

F. R. Kapsalamova

National Center on Complex Processing of Mineral Raw Materials of the Republic of Kazakhstan

Author for correspondence.
Email: faridakapsalamova@gmail.com
Kazakhstan, Almaty

S. А. Krasikov

Institute of Metallurgy, Ural Branch of the RAS; Ural State Mining University

Author for correspondence.
Email: sankr@mail.ru
Russia, Yekaterinburg; Russia, Yekaterinburg

A. Zh. Terlikbayeva

National Center on Complex Processing of Mineral Raw Materials of the Republic of Kazakhstan

Email: sankr@mail.ru
Kazakhstan, Almaty

E. M. Zhilina

Institute of Metallurgy, Ural Branch of the RAS

Email: sankr@mail.ru
Russia, Yekaterinburg

A. M. Alimzhanova

National Center on Complex Processing of Mineral Raw Materials of the Republic of Kazakhstan

Email: sankr@mail.ru
Kazakhstan, Almaty

References

  1. Tolokonnikova V., Baisanov S., Yerekeyeva G., Narikbayeva G., Korsukova I. Thermodynamic-diagram analysis of the Fe–Si–Al–Mn system with the construction of diagrams of phase relations // Metalurgija. 2022. 61. № 3–4. P. 828–830. https://hrcak.srce.hr/clanak/397172
  2. Baisanov S., Tolokonnikova V., Narikbayeva G., Korsukova I. Thermodynamic substantiation of compositions of silicon aluminium alloys with increased aluminium content in Fe–Si–Al system // Complеx Use of Mineral Resources. 2022. 321. № 2. P. 31–37.
  3. Shevko V.M., Aitkulov D.K., Amanov D.D., Badikova A.D., Tuleyev M.A. Thermodynamic modeling calciumcarbide and a ferroalloy formation from a system of the daubaba deposit basalt – Carbon – Iron // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, Series of Geology and Technical Sciences. 2019. 1. № 433. P. 98–106.
  4. Lemire R.J. Chemical Thermodynamics of Iron, Part I. – Boulogne-Billancourt (France): OECD // Chemical Thermodynamics (OECD, TDB-NEA). 2013. 13a.
  5. Lemire R.J., Berner U., Musikas C., Palmer D.A., Taylor P., Tochiyama O., Perrone J. Chemical Thermodynamics of Iron, Part II. – Boulogne-Billancourt (France): OECD, // Chemical Thermodynamics (OECD, TDB-NEA). 2020. 13b.
  6. Il’inykh N.I., Kulikova T.V., Moiseyev G.K. Sostav i ravnovesnyye kharakteristiki metallicheskikh rasplavov binarnykh sistem na osnove zheleza, nikelya i alyuminiya [Composition and equilibrium characteristics of metallic melts of binary systems based on iron, nickel and aluminum]. Yekaterinburg: UrO RAN, 2006. [In Russian].
  7. Khasuy A. Tekhnika napyleniya [Spraying technique]. M.: Mashinostroyeniye, 1975. [In Russian].
  8. Ageyev N.G., Naboychenko S.S. Metallurgicheskiye raschety s ispol’zovaniyem paketa prikladnykh programm HSC Chemistry: ucheb. posobiye [Metallurgical calculations using the HSC Chemistry application package]. Yekaterinburg: Publishing House Ural University, 2016. [In Russian].
  9. Bannykh O.A., Budberg P.B., Alisova S.P. Diagrammy sostoyaniya dvoynykh i mnogokomponentnykh sistem na osnove zheleza [State diagrams of iron-based binary and multicomponent systems]. Metallurgiya. 1986. [In Russian].
  10. Kubaschewski O. Iron-Binary phase diagrams. Springer Science & Business Media, 2013.
  11. Xiong W., Selleby M., Chen Q., Du J.O.Y. Phase equilibria and thermodynamic properties in the Fe–Cr system //Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2010. 35. № 2. Р. 125–152.
  12. Jain D., Isheim D., Hunter A.H., Seidman D.N. // Metall. Mater. Trans. 2016. A47. № 3872. Р. 3860–3872. https://doi.org/10.1007/s11661-016-3569-5
  13. Okamoto H. The C–Fe (carbon–iron) system // Journal of Phase Equilibria. 1992. 13. № 5. Р. 543–565.
  14. Moiseyev G.K., Vatolin N.A. O vozmozhnosti soglasovaniya standartnykh ental’piy obrazovaniya (SEO) rodstvennykh, binarnykh i kvazibinarnykh neorganicheskikh sistem [On the possibility of harmonizing the standard enthalpies of formation (SEA) of related, binary and quasi-binary inorganic systems] // Doklady RAN. 1999. 2. № 367/2. P. 208–214. [In Russian].
  15. Ryabukhin A.G., Gruba O.N. Raschety standartnykh ental’piy i energiy Gibbsa obrazovaniya karbidov khroma proizvol’nogo sostava [Calculations of standard enthalpies and Gibbs energies of formation of chromium carbides of arbitrary composition] // Vestnik YUUrGU. 2005. № 10. P. 9–13. [In Russian].
  16. Dreizin E.L., Schoenitz M. Mechanochemically prepared reactive and energetic materials: a review // J. Mater. Sci. 2017. 52. P. 11789–11809.
  17. Azabou M., Ibn Gharsallah H., Escoda L., Suñol J.J., Kolsi A.W., Khitouni M. Mechanochemical reactions in nanocrystalline Cu–Fe system induced by mechanical alloying in air atmosphere // Powder Technol. 2012. 224. Р. 338–344.
  18. Mao H., Chen H.-L., Chen Q. TCHEA1: a thermodynamic database not limited for “high entropy” alloys // J. Phase Equilib. Diff. 2017. 38. Р. 353–368.
  19. Pawar S., Jha A. K., Mukhopadhyay G. // Int. J. Refr. Met. Hard Mater. 2019. 78. P. 288–295. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.10.014
  20. Gordienko S.P. // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2002. 41. P. 169–172. https://doi.org/10.1023/A:1019839111434
  21. Vedmid’ L.B., Krasikov S.A., Zhilina Ye.M., Nikitina Ye.V., Yevdokimova I.V., Merkushev A.G. Evolyutsiya fazoobrazovaniya pri alyuminotermicheskom vosstanovlenii titana i tsirkoniya iz oksidov [Evolution of phase formation during aluminothermal reduction of titanium and zirconium from oxides] // Rasplavy. 2018. № 3. P. 330–335. [In Russian].
  22. Zhilina Ye.M., Krasikov S.A., Agafonov S.N. Raschet aktivnosti titana i tsirkoniya v alyumokal’tsiyevom oksidnom rasplave [Calculation of the activity of titanium and zirconium in alumina–calcium oxide melt] // Rasplavy. 2016. № 4. P. 300–306. [In Russian].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (131KB)
3.

Download (230KB)
4.

Download (178KB)
5.

Download (169KB)
6.

Download (284KB)
7.

Download (138KB)
8.

Download (181KB)
9.

Download (296KB)
10.

Download (145KB)

Copyright (c) 2023 Ф.Р. Капсаламова, С.А. Красиков, А.Ж. Терликбаева, Е.М. Жилина, А.М. Алимжанова

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».