научная статья по теме ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ ТРОЙНЫХ СИСТЕМ MN–Y–SI (GE, SN, PB, C) Химия

Текст научной статьи на тему «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ ТРОЙНЫХ СИСТЕМ MN–Y–SI (GE, SN, PB, C)»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2008, том 44, № 10, с. 1218-1223

УДК 541.122:546.711'64'8

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВОВ ТРОЙНЫХ СИСТЕМ Mn-Y-Si (Ge, Sn, Pb, C)

© 2008 г. В. С. Судавцова, H. В. Котова

Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, Украина e-mail: vsudavtsova@univ.kiev.ua Поступила в редакцию 22.01.2007 г.

Исследовано влияние IVa-металла на интегральную энтальпию смешения расплавов (AmH) систем Mn-Y-Si (Ge, Sn, Pb, C). Представлены энтальпии смешения тройных расплавов Mn-Y-Si(Ge), полученные нами ранее методом калориметрии при 1770 ± 5 K. В связи с тем, что термохимические свойства расплавов тройных систем Mn-Y-C (Sn, Pb) не исследованы, они рассчитаны по методу Бонье-Кабо из аналогичных достоверных данных для граничных двойных систем. Для этого проведен критический анализ диаграмм состояния и термохимических данных соответствующих двойных граничных систем; сопоставлены энтальпии образования твердых (A^H) и жидких (AmH) двойных сплавов. Показано, что из рассмотренных тройных жидких сплавов систем Mn-Y-IVa-металл наибольшими экзотермическими эффектами образования характеризуются расплавы Mn-Y-Ge. Термохимические свойства всех рассмотренных тройных сплавов определяются свойствами граничных двойных систем Y-Si (Ge, Sn, Pb, C), которые характеризуются большими экзотермическими энтальпиями смешения.

ВВЕДЕНИЕ

Редкоземельные металлы (РЗМ) используют в качестве комплексных модификаторов при производстве высокопрочного чугуна для целенаправленного сгруктурообразования отливок, для повышения пластичности сплавов при высоких температурах [1]. Как правило, РЗМ используют в виде лигатур с целью понижения температур плавления и химической активности сплавов. В связи с этим целесообразно знать характер взаимодействия РЗМ в жидком состоянии с различными элементами, в том числе с марганцем и элементами основной подгруппы IV группы Периодической системы.

Цель данной работы - моделирование термодинамических свойств тройных расплавов систем Мп-У-^а-металл с использованием данных для соответствующих граничных двойных систем.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В [2, 3] нами методом калориметрии в изопери-болическом режиме определена энтальпия смешения (АтН) расплавов тройных систем Мп-У-ве(81) при 1770 ± 5 К.

С использованием АтН соответствующих граничных систем и установленных нами аналогичных значений тройных расплавов Мп-У-81(ве) построены изоэнтальпии смешения последних (рис. 1а, 16).

Термохимические свойства расплавов тройных систем Мп-У-С(8п, РЬ) до настоящего времени не исследованы из-за высокой химической активности, тугоплавкости и летучести марганца. Поэтому

для получения представления о поверхности энтальпии смешения в этих системах мы смоделировали их по уравнению Бонье-Кабо, которое оказалось наилучшим при моделировании изученных металлических расплавов тройных систем Мп-У-81(ве) (рис. 1).

Расчетная формула по методу Бонье-Кабо, согласно [4], имеет такой вид

AmH - (ЛХ)AmH 12f

+

■12-l Х Х12 =Х 1 1 - 1 Х1' 2 - 2j

Х3

+ Tï ч AmH 23

( 1- Х2 ) m ixf- *2.?

+

+ ( 1- Х2 )AmH 13

13 = Л1 13 = х3 1 (Х 1 + Х3 )' 3 (x 1 + Х3 )

где AmH - интегральная энтальпия смешения расплавов тройной системы; AmHij - интегральные энтальпии смешения расплавов двойных систем при

ij x,

условии —. = const; x,, Xj - мольные доли компонен-

x'j

тов М,, М. в тройной системе; xj, xj - мольные доли компонентов в двойной системе, причем i Ф j. Величина AmH является функцией концентраций x,, x.. Значение этой функции определяется только соотношением мольных долей компонентов в соответствующей бинарной системе, и добавление третьего компонента не влияет на ее величину. В этом состоит основное допущение этого метода.

У У

Рис. 1. Изолинии интегральных энтальпий смешения расплавов тройных систем Мп-У-ве (а) [2] и Мп-У-Б1 (б) [3], определенные методом калориметрии при 1770 К (сплошные линии) в сравнении с рассчитанными по модели Бонье-Кабо (пунктир).

Таким образом, модель Бонье-Кабо обеспечивает удовлетворительные результаты при описании термодинамических свойств тройных систем, если в двух граничных двойных системах наблюдается сильное взаимодействие между компонентами, а третья близка к идеальной и может быть описана моделью регулярного раствора.

Для расчета термохимических свойств расплавов тройных систем Мп-У-С(Бп, РЬ) необходимо проанализировать свойства граничных двойных систем, которые образуют данные тройные.

Система Мп-У. В системе образуются три соединения: Мп23У6 при 1398 К, Мп12У при 1369 К и Мп2У при 1380 К; последнее плавится конгруэнтно [5].

Энтальпии образования (АтН) расплавов системы Мп-У исследованы методом калориметрии при 1873 К в концентрационном интервале 0 < хУ < 0.52

[6]. Полученные результаты представлены в виде таких полиномов (кДж/моль):

А тН (Мп) = х У (-55.21 + 175.19хУ-237.35 хУ +

+ 255.74хУ - 341.43хУ + 206.84хУ),

А тН (У) = (1-хУ)(-16.61+77.21 хУ- 146.98хУ +

+ 120.49хУ - 169.06хУ + 206.84хУ),

А тН = х У (1- х У)(- 16.61 + 38.60хУ-48.99хУ +

+ 30.12хУ - 33.81 хУ + 34.47хУ).

Минимум интегральной энтальпии смешения, по данным [6], равен -1.9 кДж/моль при хМп = 0.675.

Система 8п-У. Энтальпии образования расплавов определены методом калориметрии при 1920 К

[7], 1523 К [8], а интерметаллидов У58п3, УБп2, УБп3

- в [9-11] (рис. 2). Видно, что энтальпии смешения расплавов Бп-У, определенные [6, 7], коррелируют между собой с учетом разных температур исследования. Что же касается энтальпий образования У5Бп3 (АН = -72.8 ± 2.9 кДж/моль [9]), то они лучше коррелируют с более низкотемпературными результатами [8]. Поэтому АтН, полученные [8] при 1523 К и 0 < хУ < 0.25, можно с помощью значения АН(У5Бп3) [9] проэкстраполировать на неизученную среднюю концентрационную область 0.45 < хУ < 0.8. Из этих данных и [7] была установлена температур-но-концентрационная зависимость АтН расплавов, которую использовали для моделирования термохимических свойств расплавов тройной системы

-10 £-20

т60

< -70 -80 -90

Ху

0.2 0.4 0.(

-1-1-г

0.8

1.0

X ▲

■ 1

X 2 ▲ 3

Д 4 05

Рис. 2. Энтальпии образования расплавов и интерметаллидов системы Бп-У: АтН при 1920 [7] (1) и 1523 К [8] (2); АН при 298 [9] (3), 300 [10] (4), 656-1115 К [11] (5).

0

Таблица 1. Термодинамические свойства плюмбидов иттрия

Соединение -А-^Я, кДж/моль -А-^З, Дж/(К моль) Метод Т, К Источник

УРЪ3 39.7 ± 0.9 7.9 ± 1.1 ЭДС 650-1080 [11]

36.1 ± 0.9 1.9 ± 1.1 ЭДС 650-1080 [11]

30.0 ± 2.0 ЭДС 298.15 [13]

37.7 ± 2.3 Калориметрия 298 [14]

28.0 ± 2.1 Калориметрия 300 [15]

УРЪ2 37.2 ± 2.1 Калориметрия 300 [15]

У5РЪ4 60.2 ± 2.1 Калориметрия 300 [15]

У5РЪ3 66.9 ±2.1 Калориметрия 300 [15]

Таблица 2. Энтальпии смешения расплавов двойных систем РЪ(С)-У, Мп-С(Бп, РЬ), при различном содержании второго компонента (0.1-0.9 мол долей)

Система -АтЯ, кДж/моль

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

РЪ-У 14.5 30.4 40 48 57 62 55 40 23

У-С (14) (26) (34) (36) (35) (34) (28) (20) (10)

Мп-С 10 19 23 (22) (20) (19) (17) (12) (6)

Мп-Бп 2.7 4.8 5.8 5.6 4.2 2.4 1.9 0.5 0.1

Мп-РЪ (3.9) (6.9) (8.9) (9.7) (9.4) (8.0) (6.7) (4.6) (2.4)

Примечание. В скобках даны значения, полученные экстраполяцией из АуЯ.

трия - методом ЭДС [11, 13] и калориметрии [14, 15]. Термодинамические свойства плюмбидов иттрия приведены в табл. 1. На рис. 3 энтальпии образования интерметаллидов, определенные методом калориметрии [14, 15], сопоставлены с аналогичными величинами для жидких сплавов [8] системы РЬ-У.

Видно, что энтальпии образования расплавов и твердых фаз коррелируют между собой. Это позволило проэкстраполировать данные АтН жидких сплавов РЬ-У, полученные в [8], на всю концентрационную область и использовать для моделирования расплавов тройной системы Мп-У-РЬ. Выведенные интегральные энтальпии приведены в табл. 2 (в скобках даны значения, полученные экстраполяцией из АуН).

Система Мп-С. Энтальпии образования расплавов в этой системе исследованы при 1873 К в области составов 0 < хС < 0.27 [16]. Эти данные значительно экзотермичнее, чем энтальпии образования карбидов марганца [19]: АуН(Мп5С2) = -8.9 и -10.0 кДж/моль (калориметрия прямого синтеза и растворения соответственно); АуН(Мп7С3) = -9.1 кДж/моль (калориметрия прямого синтеза). В связи с этим мы проэкстраполировали экспериментально установленные АтН расплавов Мп-С [15] на всю область составов (табл. 2). При этом была сделана поправка на концентрационную зависимость

Мп-У-8п. Минимум интегральной энтальпии смешения расплавов системы 8п-У составил АтНтш = = -65 кДж/моль при хУ = 0.6.

Система РЬ-У. Критический анализ диаграммы состояния, термодинамических свойств сплавов и фаз этой системы выполнен в [12]. Энтальпии образования расплавов определены методом калориметрии при 1307 К до хУ < 0.25 [8], а плюмбидов ит-

-10

л

§-20 I-30

м

г°

^-50

]-60 -70

Ху

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

▲ д

■ 1

А 2

А3

Рис. 3. Энтальпии образования расплавов и интерметаллидов системы РЬ-У: АтН при 1370 К [8] (1); АН при 298 [14] (2), 300 К [15] (3).

0

энтальпии смешения по аналогии с подобной зависимостью для расплавов системы Сг-С [17].

Система Мп-РЬ. Для сплавов этой системы характерна большая область несмешиваемости [5], а их термодинамические свойства не изучены. Для ориентировочной оценки энтальпий смешения расплавов Мп-РЬ мы использовали полуэмпирическую модель Миедемы, приведенную и подробно проанализированную в [18]:

. н 2 Д ( X ) ( X1 V2 /3 + Х2 V- * )х

ЛтН _ 1/3 -1 /3 Х

Таблица 3. Энтальпии и энтропии образования станни-дов марганца

n

+ П2

х Р { - (к 1 - к2)2 + й («1/3 + п1/3)2 - аЯ }. Здесь функция Дх) для жидких сплавов равна: Дх) =

5 5 5 т ,2/3,, Т72/3 т72/Зч

= х1 х2, х; = XV; /(х^^^ + х2V2 ) поверхностная мольная концентрация компонента Вкладом Я учитываются эффекты гибридизации р- и ^-элек-тронов, коэффициент а для расплавов равен 0.73. Параметр Р принимался равным 12.3, коэффициент й - равным 9.4. Для расчетов использовали параметры для расчета теплот образования расплавов методом Миедемы (см. табл. 24 в [18]).

Установлено, что полученные энтальпии смешен

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком