1. 소개
바나듐은 철강 생산에 중요한 합금 원소입니다. 현재 바나듐의 80~90%가 철강 산업에 사용되고 있는데, 그 이유는 바나듐이 탄소 및 질소와 반응하여 녹지 않는 탄소 및 질소 화합물을 생성하기 때문입니다. 강철에 바나듐을 첨가하면 결정립 미세화 및 석출 강화에 중요한 역할을 하여 내마모성, 인성, 강도, 연성 및 피로 저항성과 같은 강철의 포괄적인 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 페로바나듐과 비교하여 바나듐 질소 합금은 고강도 저합금 응용 분야에서 바나듐을 20%~40% 절약할 수 있어 합금 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 따라서 바나듐 카바이드 및 바나듐 질화물 합금은 구조용 강철, 공구강, 파이프 라인 강철, 강철 막대, 일반 엔지니어링 강철 및 주철에 널리 사용됩니다. 그것의 좋은 경제적, 실용적인 가치는 오랫동안 연구자들의 관심을 끌었습니다.
질화 바나듐 합금은 실제로 화학식 VC ₁ - N을 갖는 질화 바나듐과 탄화 바나듐의 고용체 시스템입니다. 탄화 바나듐과 질화 바나듐은 모두 서로 무한히 풀릴 수 있는 면 중심 입방 구조를 가지고 있습니다. 격자 상수는 각각 avc=0.4165nm 및 ayv=0.4137nm입니다. 16부터 9까지 국내외에서 많은 준비 방법이 연구되어 있습니다. 베이징 과학 기술 대학의 Wang Gonghou는 V 2 Os와 활성탄을 사용하여 1673K의 고온 진공 몰리브덴 선로에서 먼저 환원하여 VC를 형성했습니다. 1.333Pa 진공상태에서 질화온도 1400℃에서 질소가스를 투입하였다. 샘플(86% V-2.7% C-9.069%-9.577% N-2% O)을 얻었습니다. 미국 United Carbide Corporation은 고가의 산화바나듐을 원료로 혼합가스(N 2+NH Å 또는 N 2+H 2)를 투입하여 질화바나듐을 생산하고, 이를 탄소재료와 혼합하여 고-산화 바나듐을 제조합니다. 진공로에서 불활성 또는 질소 분위기에서 온도 처리하여 7% 질화바나듐을 얻습니다. 이들 방법은 모두 공정이 복잡하고, 공정 관리가 어렵고, 생산 비용이 높다는 단점을 갖고 있다. 최근 미세 합금강 생산에 대한 연구가 증가함에 따라 저자는 보다 경제적이고 간단한 공정을 사용하여 질소 함량이 높은 질화 바나듐 합금 블록을 제조하고 다양한 반응 온도가 상 조성 및 질소 함량에 미치는 영향을 연구하는 데 중점을 두었습니다. 최적의 준비 과정을 공식화하기 위한 이론적 기초를 제공합니다.
2개의 실험
2.1 원료 및 시료 준비
본 실험에서는 공업용 V 2 O Å 및 카본블랙을 주원료로 사용하고, 소결첨가제로 철분말 1% 정도를 소량 첨가하였다. 준비된 원료를 볼밀링 탱크에 넣고 롤링 볼밀링을 통해 24시간 동안 혼합한다. 추출 후 100℃에서 4시간 건조시킨 후 Φ1.500cm×A 1.070cm 크기의 원통형 빌렛을 진공탄소관로에서 소결하고 N2를 101kPa(미양압)로 도입한다. 특정 반응 온도 조건 하에서. 질화탄소 반응을 동시에 진행하여 치밀한 질화바나듐 합금 기둥을 제조한다.
2.2 시료 상 조성 및 성분 분석
소결된 제품의 상 분석은 Dandong Fangyuan DX-2000 X선 회절계에서 수행되었으며, 관 압력은 40kV, 전류는 25mA, CuKa, λ= 영점15
3 results and discussion
3.1 탄소 열질화 반응과정의 열역학적 분석
바나듐의 산화물은 원자가가 높은 것부터 낮은 것까지 V 2 O Å, V 2 O ₄, V 2 O Å 및 VO입니다. 탄소열에 의한 V 2 O Å의 환원은 산소포텐셜에 따라 단계적으로 이루어지며, V 2 O Å가 가장 쉽게 환원되고 VO가 가장 어렵습니다. 실제 반응과정에서는 융점(940K)이 낮고 V 2 O Å의 독성으로 인해 바나듐의 손실을 줄이기 위해서는 초기 환원개시온도가 V 2 O Å의 융점보다 낮아야 하는데, 즉, V 2 Os가 액상으로 변하기 전에 녹는점이 더 높은 V 2 O Å(1633K)으로 환원되어야 합니다. V 2 O Å가 C에 의해 점차 환원되면서 고온에서 질화탄소 반응이 동시에 일어나는 반응 메커니즘은 매우 복잡하며, 반응 과정에서 많은 중간상이 생성된다. 여기서 논의되는 주요 반응 방정식은 다음과 같습니다.
V 2 Os(s)+C(s)=2VO 2(s)+CO(g) 1
2VO 2(s)+C(s)=V 2 O Å(s)+CO(g) 조각
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 ( 삼)
Based on thermodynamic data [], the Gibbs Helmhotz formula is introduced: △ G Å r=△ H Å 298-T △ S Å 298, and reaction equations (1), (2), and
(3) Δ G Å r(kJ/mol), 즉
△ G Å r=655500 475.68T (4)
△ G Å r=430420-329.98T (5)
△ G Å r=112549 72.84T (6)
When calculating (4), (5), and (6) in standard state, it can be seen that when Δ G ⁹ r=0
Ti=1378K, T2=1304K, T ₄=1545
3.2상 조성 및 생성물 조성에 대한 반응 온도의 영향
그림 1 서로 다른 반응 온도에서의 제품의 XRD 패턴
그림에 나타난 바와 같이, 반응온도가 1100~1250 ℃ 범위일 때 생성물은 V(C,N) 고용체와 미량의 α-로 구성되어 있으며, 반응온도가 높아질수록 X-선 회절이 합금의 피크는 더 높은 각도 방향으로 이동합니다. 즉, VC 특성(왼쪽)에 가까운 회절 피크에서 VN 특성(오른쪽)으로 이동하여 제품 고용체의 질소 함량이 감소함을 나타냅니다. 브래그 방정식에 따르면 합금 제품의 격자 상수는 증가합니다. 그림 2는 합금 내 xx 함량의 이론적 계산과 반응 온도에 따른 합금 고용체의 격자 상수 사이의 관계를 보여줍니다. 그래프를 보면 반응온도가 증가함에 따라 전체적인 질소함량 변화 경향이 감소하는 경향을 보이며, 1100~1150℃ 범위에서 급격하게 감소함을 알 수 있다. 반응이 1100℃ 부근까지 올라가면 질화탄소 반응이 진행되면서 질화바나듐 합금 내의 질소 함량은 높게 유지된다. 열역학적 분석에 따르면 V-C 결합 결합 온도는 V-N 결합 온도보다 높습니다. 따라서 질소함량이 높은 VC₁N은 비교적 낮은 온도인 1100℃, 합금, xx=0.67에서 제조될 수 있다. 반응 온도가 계속 상승함에 따라 생성물에 생성된 질화바나듐은 점차 탄소에 의해 환원되어 탄화바나듐을 형성하게 됩니다. 생성물의 질소 함량이 감소하는데, 이는 V(C,N) 고용체의 격자에서 C 원자가 N 원자를 대체하여 V(C ₁ - N:) 고용체의 질소 함량이 감소함을 의미합니다[12 ]. 동시에 N(ry=0.075nm)에 비해 C(rc=0.091nm)의 원자 반경이 더 크기 때문에 합금의 격자 상수도 증가합니다. XRD 패턴의 회절 피크는 높은 각도 피크 방향으로 이동합니다. 따라서 질소 함량이 높은 VN 합금을 생산하기 위해서는 반응온도를 1100~1150℃ 사이로 조절해야 한다.
그림 2 N 함량 및 격자 상수에 대한 반응 온도의 영향
3.3 Effect of reaction temperature on product density
서로 다른 온도에서 소결된 합금 원통형 시편에 대해 밀도 시험을 실시하였고 그 결과를 Figure 3에 나타내었다. 1100~1200℃ 범위 내에서 합금이 급격히 치밀화되고 온도가 높아질수록 밀도가 계속 증가하는 것을 알 수 있다. 상승하다. 불균일 고상 소결 시스템에서는 상 경계면에서 고상 반응이 일어나 중간 생성물이 생성되며, 중간 생성물은 경계면 분석 및 확산을 통해 경계면에서 분리됩니다. 계면 흡착을 개선하면 반응 활성이 향상될 수 있습니다. 그러나 철분말은 비표면적이 크기 때문에 더 많은 반응물을 흡착하여 반응물 내부에 격자왜곡을 일으켜 반응물의 활성화 에너지를 감소시키고 활성을 증가시켜 질화탄소 반응의 진행을 촉진시킬 수 있다. 소결 온도가 낮을 경우, 반응물 입자 표면층의 원자 확산으로 인해 입자 재배열과 소결 넥의 성장이 일어나 급속한 치밀화가 발생한다(13). 소결 온도가 증가함에 따라 입자 내부의 원자 확산 계수가 지속적으로 증가하여 입자의 소결 특성이 향상되고 소결체의 밀도가 높아집니다.
그림 3 반응 온도가 생성물 밀도에 미치는 영향
3.4 시료의 화학 성분 분석
1100℃에서 소결하고 1시간 동안 유지하여 제조한 질화바나듐 합금 시료에 소결첨가제로 철분말 1%를 첨가하여 원소 함량을 분석한 결과는 Table 1과 같다. 산소 함량은 중요한 제어 요소입니다. 그렇지 않으면 제품 사용에 상당한 영향을 미칩니다. 실험 후반 단계에서는 공정 매개변수를 지속적으로 최적화함으로써 질소 함량이 15% 이상에 도달했으며 산소 함량은 더욱 감소했습니다. 원료의 비율을 정확하게 맞추고 적절한 공정 변수를 선택함으로써 생산 요구 사항을 충족하는 우수한 조성을 가진 바나듐 질소 합금 벌크 샘플을 준비할 수 있음을 알 수 있습니다.
표 1 제품의 화학적 조성 시료온도(℃)FluxelementVC0NVN-111001%Fe76.585.411.4616.24 결론
열역학적 계산은 V 2 O Å와 카본블랙의 열환원 질화반응을 통해 제조된 VN 합금의 열처리 온도를 결정하기 위한 이론적 근거를 제공합니다. 1100℃에서 소결하고 1시간 동안 유지한 후, 원료에 소결 첨가제로 철분말 1%를 첨가하면 질소 함량이 높은 치밀한 질화바나듐 합금 시료를 제조할 수 있다. 소결 온도가 증가함에 따라 제품의 질소 함량은 감소하는 반면 밀도는 지속적으로 증가합니다.
