1. Perkenalan
Vanadium merupakan elemen paduan penting dalam produksi baja. Saat ini, 80% hingga 90% vanadium digunakan dalam industri baja terutama karena bereaksi dengan karbon dan nitrogen untuk menghasilkan senyawa karbon dan nitrogen yang tahan leleh. Menambahkan vanadium ke baja dapat berperan dalam penghalusan butiran dan penguatan presipitasi, meningkatkan sifat mekanik baja secara komprehensif seperti ketahanan aus, ketangguhan, kekuatan, keuletan, dan ketahanan lelah. Dibandingkan dengan ferrovanadium, paduan nitrogen vanadium dapat menghemat 20% hingga 40% vanadium dalam aplikasi paduan rendah kekuatan tinggi, sehingga sangat mengurangi biaya paduan. Oleh karena itu, paduan vanadium karbida dan vanadium nitrida banyak digunakan pada baja struktural, baja perkakas, baja pipa, baja batangan, baja rekayasa biasa, dan besi tuang. Nilai ekonomis dan praktisnya yang baik telah lama menarik perhatian para peneliti.
Paduan vanadium nitrida sebenarnya adalah sistem larutan padat vanadium nitrida dan vanadium karbida, dengan rumus kimia VC ₁ - N. Baik vanadium karbida dan vanadium nitrida memiliki struktur kubik berpusat pada permukaan, yang dapat saling larut tanpa batas. Konstanta kisi masing-masing adalah avc=0,4165nm dan ayv=0,4137nm. Ada banyak metode persiapan yang dipelajari di dalam dan luar negeri, mulai dari 16 hingga 9. Wang Gonghou dari Universitas Sains dan Teknologi Beijing menggunakan V ₂ Os dan karbon aktif untuk direduksi terlebih dahulu menjadi VC dalam tungku kawat molibdenum vakum suhu tinggi pada 1673K dan vakum 1,333Pa, lalu dimasukkan gas nitrogen pada suhu nitridasi 1400 ℃. Sampel (86% V-2,7% C-9,069% -9,577% N-2% O) diperoleh. United Carbide Corporation Amerika Serikat menggunakan vanadium oksida bervalensi tinggi sebagai bahan mentah untuk memproduksi vanadium nitrida dengan memasukkan gas campuran (N ₂+NH Å atau N ₂+H ₂), yang kemudian dicampur dengan bahan karbon dan dikenai suhu tinggi. perlakuan suhu dalam atmosfer inert atau nitrogen dalam tungku vakum untuk mendapatkan 7% vanadium nitrida. Semua metode ini memiliki kelemahan seperti proses yang rumit, pengendalian proses yang sulit, dan biaya produksi yang tinggi. Dengan meningkatnya penelitian tentang produksi baja paduan mikro dalam beberapa tahun terakhir, penulis telah menyiapkan blok paduan vanadium nitrida dengan kandungan nitrogen tinggi menggunakan proses yang lebih ekonomis dan sederhana, dan fokus mempelajari pengaruh suhu reaksi yang berbeda pada komposisi fasa dan kandungan nitrogen. produk, memberikan landasan teoritis untuk merumuskan proses persiapan yang optimal.
2 Eksperimen
2.1 Bahan Baku dan Persiapan Sampel
Percobaan ini menggunakan kadar industri V ₂ O Å dan karbon hitam sebagai bahan baku utama, serta menambahkan sedikit serbuk besi sekitar 1% sebagai bahan tambahan sintering. Bahan baku yang telah disiapkan ditempatkan dalam tangki ball milling dan dicampur selama 24 jam melalui rolling ball milling. Setelah diekstraksi, dikeringkan pada suhu 100 ℃ selama 4 jam, dan ditekan menjadi ukuran φ 1.500cm × Billet silinder 1.070cm disinter dalam tungku tabung karbon vakum, dan N ₂ dimasukkan ke 101kPa (tekanan positif mikro) pada kondisi suhu reaksi tertentu. Reaksi karbon nitrida dilakukan secara bersamaan untuk menyiapkan kolom paduan vanadium nitrida padat.
2.2 Komposisi Fase Sampel dan Analisis Komponen
Analisis fasa produk sinter dilakukan pada difraktometer sinar-X Dandong Fangyuan DX-2000, dengan tekanan tabung 40kV dan arus 25mA, CuKa, λ= nol koma satu lima
3. Hasil dan Pembahasan
3.1 Analisis termodinamika proses reaksi nitridasi termal karbon
Oksida vanadium, dari valensi tinggi ke rendah, adalah V ₂ O Å, V ₂ O ₄, V ₂ O Å, dan VO. Berdasarkan potensi oksigennya, reduksi V ₂ O Å oleh panas karbon terjadi secara bertahap, dengan V ₂ O Å yang paling mudah direduksi dan VO yang paling sulit. Dalam proses reaksi sebenarnya, karena titik leleh yang rendah (940K) dan toksisitas V ₂ O Å, untuk mengurangi hilangnya vanadium, suhu awal reduksi harus di bawah titik leleh V ₂ O Å, sehingga Artinya, sebelum V ₂ Os berubah menjadi fasa cair, harus direduksi menjadi V ₂ O Å (1633K) dengan titik leleh yang lebih tinggi. Mekanisme reaksi V ₂ O Å yang direduksi secara bertahap oleh C dan mengalami reaksi karbon nitrida secara simultan pada suhu tinggi sangatlah kompleks, dan proses reaksi tersebut akan menghasilkan banyak fase antara. Persamaan reaksi utama yang dibahas di sini adalah:
V ₂ Os (s)+C (s)=2VO ₂ (s)+CO (g) 1
2VO ₂ (s)+C (s)=V ₂ O Å (s)+CO (g) potongan
V ₂ O Å (s)+5C (s)=2VC (s)+3CO (g) t (1)
V ₂ O Å (s)+3C (s)+N ₂ (g)=2VN (s)+3CO (g) T (2)
(1-x) VC (s)+xVN (s)=V (C ₁ - N ₂) (s) VN (s)+C (s)=VC (s)+1/2N ₂ (g) 1 ( 3)
Berdasarkan data termodinamika [], diperkenalkan rumus Gibbs Helmhotz: △ G Å r=△ H Å 298-T △ S Å 298, dan persamaan reaksi (1), (2), dan
(3) Δ G Å r, dalam kJ/mol, mis
△ G Å r=655500 475,68T (4)
△ G Å r=430420-329.98T (5)
(6)
Saat menghitung (4), (5), dan (6) dalam keadaan standar, terlihat bahwa ketika Δ G ⁹ r=0
Ti=1378K, T2=1304K, T₄=1545
3.2 Pengaruh suhu reaksi terhadap komposisi fasa dan komposisi produk
Gambar 1 Pola XRD produk pada suhu reaksi yang berbeda
As shown in the figure, when the reaction temperature is within the range of 1100~1250 ℃, the products are composed of V (C, N) solid solution and trace amounts of α- As the reaction temperature increases, the X-ray diffraction peak of the alloy shifts towards a higher angle direction, that is, from the diffraction peak close to the VC characteristic (left) to the VN characteristic (right), indicating a decrease in nitrogen content in the product solid solution. According to the Bragg equation, the lattice constant of the alloy product is increasing. Figure 2 shows the relationship between the theoretical calculation of the xx content in the alloy and the lattice constant of the alloy solid solution with the reaction temperature. It can be seen from the graph that as the reaction temperature increases, the overall trend of nitrogen content change decreases, with a rapid decrease in the range of 1100 to 1150 ℃. When the reaction rises to around 1100 ℃, as the carbon nitride reaction proceeds, the nitrogen content in the vanadium nitride alloy remains high. Thermodynamic analysis shows that the V-C bond bonding temperature is higher than the V-N bond bonding temperature. Therefore, VC ₁ N with high nitrogen content can be prepared at a relatively low temperature of 1100 ℃, alloy, xx=0.67. As the reaction temperature continues to rise, the generated vanadium nitride in the product will gradually be reduced by carbon to form vanadium carbide. The nitrogen content in the product decreases, which means that C atoms replace the N atoms in the lattice of V (C, N) solid solution, resulting in a decrease in nitrogen content in V (C ₁ - N:) solid solution [12]. At the same time, due to the larger atomic radius of C (rc=0.091nm) compared to N (ry=0.075nm), it also leads to an increase in the lattice constant of the alloy, This is also the reason why the diffraction peak in the XRD pattern shifts towards the high angle peak direction. Therefore, in order to produce VN alloys with high nitrogen content, the reaction temperature should be controlled between 1100 and 1150 ℃.
Gambar 2. Pengaruh suhu reaksi terhadap konstanta isi dan kisi N
3.3 Pengaruh suhu reaksi terhadap kepadatan produk
Uji densitas dilakukan pada spesimen silinder paduan yang disinter pada temperatur berbeda, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 3. Terlihat bahwa paduan tersebut memadat dengan cepat dalam kisaran 1100~1200 ℃, dan densitas terus meningkat seiring suhu terus meningkat. naik. Dalam sistem sintering fase padat heterogen, reaksi fase padat terjadi pada antarmuka fase untuk menghasilkan produk antara, yang kemudian dipisahkan dari antarmuka melalui analisis antarmuka dan difusi. Meningkatkan adsorpsi antarmuka dapat meningkatkan aktivitas reaksi. Namun, serbuk besi, karena luas permukaan spesifiknya yang besar, dapat menyerap lebih banyak reaktan dan menyebabkan distorsi kisi di dalam reaktan, mengurangi energi aktivasi reaktan dan meningkatkan aktivitas, sehingga mendorong kemajuan reaksi karbon nitrida. Ketika suhu sintering rendah, difusi atom pada lapisan permukaan partikel reaktan menyebabkan penataan ulang partikel dan pertumbuhan leher sintering, sehingga terjadi pemadatan yang cepat (13). Ketika suhu sintering meningkat, koefisien difusi atom dalam partikel terus meningkat, menghasilkan sifat sintering partikel yang lebih baik dan benda sinter yang lebih padat.
Gambar 3 Pengaruh suhu reaksi terhadap kepadatan produk
3.4 Analisis komposisi kimia sampel
Sampel paduan vanadium nitrida dibuat dengan cara sintering pada suhu 1100 ℃ dan ditahan selama 1 jam, dengan tambahan serbuk besi 1% sebagai aditif sintering, dianalisis kandungan unsurnya, seperti ditunjukkan pada Tabel 1. Dalam pembuatan paduan vanadium nitrogen, kandungan karbon dan kandungan oksigen merupakan faktor kontrol yang penting, jika tidak maka akan berdampak signifikan pada penggunaan produk. Pada tahap percobaan selanjutnya, dengan terus mengoptimalkan parameter proses, kandungan nitrogen telah mencapai lebih dari 15% dan kandungan oksigen semakin berkurang. Dapat dilihat bahwa dengan proporsi bahan baku yang akurat dan pemilihan parameter proses yang sesuai, sampel curah paduan nitrogen vanadium dengan komposisi sangat baik yang memenuhi persyaratan produksi dapat disiapkan.
Tabel 1 Komposisi kimia produk Suhu Sampel(℃)FlukselemenVC0NVN-111001%Fe76.585.411.4616.24 Kesimpulan
Perhitungan termodinamika memberikan dasar teoritis untuk menentukan suhu perlakuan panas paduan VN yang dibuat melalui reaksi nitridasi reduksi termal V ₂ O Å dengan karbon hitam. Sintering pada 1100 ℃ dan ditahan selama 1 jam, menambahkan 1% serbuk besi sebagai aditif sintering ke bahan baku dapat menghasilkan sampel paduan vanadium nitrida padat dengan kandungan nitrogen tinggi. Kandungan nitrogen dalam produk menurun seiring dengan meningkatnya suhu sintering, sedangkan densitasnya terus meningkat.
