Аналіз впливу легування Si та Cr на властивості марганцевого аустеніту на основі AB INITIO моделювання

This paper reports a study into estimating the impact of dissolved Si and Cr on the crystalline structure, certain mechanical characteristics, and stability of manganese austenite. The theoretical study was based on the first-principle calculations within a density functional theory (DFT) for austenite structures, which were modeled in the form of 2×2×2 superlattices based on a face-centered cubic lattice.Atoms in the model superlattices were arranged considering the experimental results from analyzing the Mossbauer spectrum and the X-ray phase analysis of experimental alloys corresponding to high manganese steels. The superlattices that represented the structure of the alloyed austenite contained the C atom in the central octahedral pore, which, relative to the Si(Cr) and Mn atoms, was located in the first and second coordinating spheres, respectively.The analysis of calculation results reveals that the dissolution of Si and Cr in manganese austenite leads to an increase in the stability of the austenite phase, both according to the results from modeling within the DFT and based on the findings from the thermodynamic analysis. At the same time, the austenite phase is transferred to the region of plastic materials according to the ratio of the volumetric elasticity to shear modules of ≥1.75 (a B/G criterion). Determining the density of electronic states shows that among the structures studied, the lowest number of electrons at the Fermi level, which indicates the highest electrochemical stability, is characterized by manganese austenite alloyed by Cr.The results of this study provide grounds for expanding the systems of alloying high manganese steels by introducing a significant amount (up to 10 at. %) of Si and Cr, in particular for the application of wear, shock, and corrosion-resistant coatings by the method of electric arc surfacingПроведена оценка влияния растворенных Si и Cr на кристаллическую структуру, некоторые механические характеристики и стабильность марганцевого аустенита. Теоретические исследования проводили путем первопринципных расчетов в рамках теории функционала плотности (DFT) для аустенитных структур, которые были смоделированы в виде сверхрешеток 2×2×2 на основе гранецентрированной кубической решетки.Размещение атомов в модельных сверхрешетках проводили с учетом экспериментальных результатов рентгеновского фазового и мессбауэровского анализа экспериментальних сплавов, отвечающих высокомарганцевим сталям. Сверхрешетки, которые отображали структуру легированного аустенита содержали атом С в центральной октаэдрической поре, который по отношению к атомам Si (Cr) и Mn находился в первой и второй координационных сферах, соответственно.Анализ результатов расчетов показывает, что растворение Si и Cr в марганцевом аустените к увеличению стабильности аустенитной фазы, как по результатам моделирования в рамках DFT так и термодинамического анализа. При этом, аустенитная фаза переходит в область пластических материалов в соответствии с соотношением между модулями объемной упругости и сдвига ≥1,75 (критерий B/G). Определение плотности электронных состояний показывает, что среди исследованных структур наиболее низким количеством электронов на уровне Ферми, свидетельствующем о высокой электрохимической стабильности, характеризуется марганцевый аустенит легированный Cr.Результаты проведенных исследований дают основания для расширения систем легирования высокомарганцевых сталей путем введения значительного количества (до 10 ат. %) Si и Cr, в частности для нанесения износо-, ударо- и коррозионностойких покрытий методом электродуговой наплавки.Проведено оцінку впливу розчинених Si та Cr на кристалічну структуру, деякі механічні характеристики та стабільність марганцевого аустеніту. Теоретичні дослідження проводили шляхом першопринципних розрахунків у рамках теорії густини функціоналу (DFT) для аустенітних структур, які було змодельовано у вигляді надграток 2×2×2 на основі гранецентрованої кубічної гратки.Розміщення атомів у модельних надгратках проводили із урахуванням експериментальних результатів аналізу месбауерівського спектру та рентгенівського фазового аналізу дослідних сплавів, що відповідають високомарганцевим сталям. Надгратки, які відображали структуру легованого аустеніту містили атом С у центральній октаедричній порі, який по відношенню до атомів Si(Cr) та Mn був розташований у першій та другій координаційних сферах, відповідно.Аналіз результатів розрахунків показує, що розчинення Si та Cr у марганцевому аустеніті до збільшення стабільності аустенітної фази, як за результатами моделювання в рамках DFT так і за результатами термодинамічного аналізу. При цьому аустенітна фаза переходить в область пластичних матеріалів відповідно до співвідношення між модулями об’ємної пружності та зсуву ≥1,75 (критерій B/G). Визначення густини електронних станів показує, що серед досліджених структур найнижчою кількістю електронів на рівні Фермі, яка свідчить про найвищу електрохімічну стабільність, характеризується марганцевий аустеніт легований Cr.Результати проведених досліджень дають підстави для розширення систем легування високомарганцевих сталей шляхом введення значної кількості (до 10 ат. %) Si та Cr, зокрема для нанесення зносо-, ударо-, та корозійностійких покриттів методом електродугового наплавлення

Sodium Citrate as an Environmentally Friendly Corrosion Inhibitor of Steel in a Neutral Environment

In this work we investigated the inhibiting effect of sodium citrate, an environmentally safe corrosion inhibitor, on low-alloy steel 09G2S in a neutral environment using electrochemical methods. Potentiodynamic studies showed that sodium citrate reduces corrosion currents of 09G2S steel in a 0.1% NaCl solution and reaches its maximum efficiency at a concentration of 2.5 g/l. Electrochemical impedance spectroscopy results indicate the adsorption of citrate ions and the formation of a protective film, which probably consists of Fe-citrate complexes. The formation of a protective film on the steel surface in sodium citrate-inhibited solutions was confirmed by the results of scanning electron microscopy and EDX analysis. Hence, our research shows that sodium citrate has satisfactory anticorrosion properties and can be used as a basic component during the development of environmentally safe inhibitor compositions for the protection of low-alloyed carbon steels in neutral environments of recirculating water supply systems in petroleum refineries, petrochemical plants, and other industries

Deposition of Gold Nanoparticles via Galvanic Replacement in DMSO and Their Influence on Formation of Silicon Nanostructures

The process of gold nanoparticle (AuNP) precipitation on the silicon (Si) surface by galvanic replacement (GR) in dimethyl sulfoxide (DMSO) solution depending on the concentration of H[AuCl4], temperature, and duration was investigated. It is established that with an increase in the concentration of [AuCl4]− ions (from 2 to 8 mM H[AuCl4]), both the size of AuNPs and their surface coverage density are increased. It is demonstrated that an increase in temperature causes the size of AuNPs to increase from 40 to 80 nm at 40°C to 80–120 and 120–160 nm at 50 and 60°C, respectively. As the duration of the GR process increases, there is a tendency of the particle size growth. Under the studied deposition conditions, the organic aprotic solvent medium contributes to the formation of spherical AuNPs with 2D substrate filling. It is established that the AuNPs deposited on the silicon surface catalyze the process of metal-assisted chemical etching (MacEtch), which makes it possible to obtain Si nanostructures in the form of nanowire arrays

Electrochemical Corrosion Behavior of Ni–TiO2 Composite Coatings Electrodeposited from a Deep Eutectic Solvent-Based Electrolyte

The need to develop new electrochemical energy storage and conversion devices requires the creation of new, available, low-cost and high-performance electrocatalytic materials, which can be produced as coatings by electrodeposition technique. The electrodeposited composite coatings based on nickel seem to be very promising in this context. We studied the corrosion resistance of electrocatalytic Ni–TiO2 composite coatings fabricated by electrodeposition method using a plating solution based on deep eutectic solvents, a new environmentally friendly and affordable type of room-temperature ionic liquids. We investigated the corrosion behavior of Ni and Ni–TiO2 coatings (5 and 10 wt.% of TiO2) in a 3% NaCl aqueous solution as a corrosive medium. The corrosion parameters were determined by linear voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. It was established that the inclusion of titania particles in the Ni matrix and an increase in their content in the coating leads to a shift in corrosion potential towards positive values, a decrease in corrosion current density and an increase in polarization resistance. The observed effects of improving the corrosion resistance of coatings are associated with the barrier action of particles of the dispersed phase and the formation of corrosion microcells contributing to the inhibition of local corrosion

In situ формування боридів молібдену при електродуговому наплавленні порошковими електродами із реакційною сумішшю B4C/Mo

This paper reports a study into the formation of the phase composition, structure, and properties of arc welding coatings by the flux-cored electrode materials from the Fe-Mo-B-C system. The welding alloys were applied using the flux-cored arc welding (FCAW) electrodes, which consisted of a shell made from the low-carbon steel filled with a reaction powder mixture that contained boron carbide and molybdenum in a ratio of 1:1.The calculation of the phase composition of alloys that correspond to the surfaced layers by a CALPHAD method using the Thermo-Calc OpenCalphad software shows that under the equilibrium conditions the boride phases of molybdenum and ferrite cannot co-exist. The main phase of such alloys is a FeMo2B2 compound, which forms the eutectics with austenite. Given that the eutectic structures with borides are characterized by high brittleness, the introduction of components was conducted in the form of a reaction mixture in order to obtain the in situ formed boride phases in the form of separate structural components.Analysis of the results of studying the microstructure and phase composition of coatings reveals that they consist of three main structural components: the eutectic (FeMo2B2+ferrite) and the grains of molybdenum tetraboride MoB4. Thus, under the conditions of arc welding using the reaction mixture, an irregular structure is formed, which is favorable in terms of ensuring wear resistance due to the high microhardness of MoB4>27 GPa.The hardness of the coatings obtained is at the level of 63–65 HRC, and the wear resistance is higher compared to standard high-chromium alloys (grades Т620 and Т590) by 2‒2.5 times. This makes it possible to recommend the coating of a given system for hardfacing the working surfaces of equipment in the coal, processing, woodworking industries, etc., where abrasive wear is the dominant type of surface wearИсследовано формирование фазового состава, структуры и свойств электродуговых покрытий порошковыми электродными материалами системы Fe-Mo-B-C. Сплавы для наплавки наносились с использованием дуговой наплавки порошковыми проволоками (FCAW), которые состояли из оболочки из низкоуглеродистой стали, заполненной реакционной порошковой смесью, которая содержала карбид  бора и молибден в пропорции 1: 1.Расчет фазового состава сплавов, соответствующих наплавленным слоям методом CALPHAD с использованием программ Thermo-Calc и OpenCalphad, показывает, что при равновесных условях боридные фазы молибдена и феррит не могут сосуществовать. Основной фазой таких сплавов является соединение FeMo2B2, которая образует эвтектику с аустенитом. Учитывая, что для эвтектических структур с боридами характерна высокая хрупкость, то использование компонентов проводилось в виде реакционной смеси для получения in situ сформированных боридных фаз в виде отдельных структурных составляющих.Анализ результатов исследования микроструктуры и фазового состава покрытий показывает, что они состоят из трех основных структуриних составляющих: феррита эвтектики (FeMo2B2 + феррита) и зерен тетраборида молибдена MoB4. Таким образом, в условиях наплавки реакционной смесью формируется неравновесная структура, которая является благоприятной с позиции обеспечения износостойкости через высокую микротвердость MoB4> 27 ГПа.Твердость полученных покрытий находится на уровне 63–65 HRC, а износостойкость выше по сравнению с серийными высокохромистыми сплавами (электроды марок Т620 и Т590) в 2-2,5 раза. Это позволяет рекомендовать покрытия данной системы для укрепления рабочих поверхностей оборудования в угольной, перерабатывающей, деревообрабатывающей и др. отраслях, где доминирующим видом износа поверхностей является абразивныйДосліджено формування фазового складу, структури і властивостей електродугових покриттів порошковими електродними матеріалами системи Fe-Mo-B-C. Сплави для наплавлення наносилися з використанням дугового наплавлення порошковими дротами (FCAW), які складались із оболонки з низьковуглецевої сталі, заповненої реакційною порошковою сумішшю, яка містила  карбіду бору та молібден у пропорції 1:1.Розрахунок фазового складу сплавів, які відповідають наплавленим шарам методом  CALPHAD з використанням програм Thermo-Calc OpenCalphad, показує, що за рівноважних умов боридні фази молібдену та ферит не можуть співіснувати. Основною фазою таких сплавів є сполука FeMo2B2 , яка утворює евтектику із аустенітом. Враховуючи, що для евтектичних структур із боридами характерна висока крихкість, то введення компонентів проводилось у вигляді реакційної для отримання in situ сформованих боридних фаз у вигляді окремих структурних складових.Аналіз результатів дослідження мікроструктури та фазового складу покриттів показує, що вони складаються із трьох основних структуриних складових: фериту евтектики (FeMo2B2+фериту) та зерен тетрабориду молібдену MoB4. Таким чином, за умов наплавлення реакційною сумішшю формується нерівноважна структура, яка є сприятливою із позиції забезпечення зносостійкості через високу мікротвердість MoB4 > 27 ГПа.Твердість отриманих покриттів знаходиться на рівні 63 – 65 HRC, а зносостійкість є вищою порівняно із серійними високохромистими сплавами (марок Т620 та Т590) у 2–2,5 рази. Це дозволяє рекомендувати покриття даної системи для зміцнення робочих поверхонь обладнання у вугільній, переробній, деревообробній та ін. галузях, де домінуючим видом зношування поверхонь є абразивн

Analysis of the Effects of Alloying with Si and Cr on the Properties of Manganese Austenite Based on AB INITIO Modelling

This paper reports a study into estimating the impact of dissolved Si and Cr on the crystalline structure, certain mechanical characteristics, and stability of manganese austenite. The theoretical study was based on the first-principle calculations within a density functional theory (DFT) for austenite structures, which were modeled in the form of 2×2×2 superlattices based on a face-centered cubic lattice.Atoms in the model superlattices were arranged considering the experimental results from analyzing the Mossbauer spectrum and the X-ray phase analysis of experimental alloys corresponding to high manganese steels. The superlattices that represented the structure of the alloyed austenite contained the C atom in the central octahedral pore, which, relative to the Si(Cr) and Mn atoms, was located in the first and second coordinating spheres, respectively.The analysis of calculation results reveals that the dissolution of Si and Cr in manganese austenite leads to an increase in the stability of the austenite phase, both according to the results from modeling within the DFT and based on the findings from the thermodynamic analysis. At the same time, the austenite phase is transferred to the region of plastic materials according to the ratio of the volumetric elasticity to shear modules of ≥1.75 (a B/G criterion). Determining the density of electronic states shows that among the structures studied, the lowest number of electrons at the Fermi level, which indicates the highest electrochemical stability, is characterized by manganese austenite alloyed by Cr.The results of this study provide grounds for expanding the systems of alloying high manganese steels by introducing a significant amount (up to 10 at. %) of Si and Cr, in particular for the application of wear, shock, and corrosion-resistant coatings by the method of electric arc surfacin

In Situ Formation of Molybdenum Borides at Hardfacing by Arc Welding with Flux-cored Wires Containing A Reaction Mixture of B4C/Mo

This paper reports a study into the formation of the phase composition, structure, and properties of arc welding coatings by the flux-cored electrode materials from the Fe-Mo-B-C system. The welding alloys were applied using the flux-cored arc welding (FCAW) electrodes, which consisted of a shell made from the low-carbon steel filled with a reaction powder mixture that contained boron carbide and molybdenum in a ratio of 1:1.The calculation of the phase composition of alloys that correspond to the surfaced layers by a CALPHAD method using the Thermo-Calc OpenCalphad software shows that under the equilibrium conditions the boride phases of molybdenum and ferrite cannot co-exist. The main phase of such alloys is a FeMo2B2 compound, which forms the eutectics with austenite. Given that the eutectic structures with borides are characterized by high brittleness, the introduction of components was conducted in the form of a reaction mixture in order to obtain the in situ formed boride phases in the form of separate structural components.Analysis of the results of studying the microstructure and phase composition of coatings reveals that they consist of three main structural components: the eutectic (FeMo2B2+ferrite) and the grains of molybdenum tetraboride MoB4. Thus, under the conditions of arc welding using the reaction mixture, an irregular structure is formed, which is favorable in terms of ensuring wear resistance due to the high microhardness of MoB4>27 GPa.The hardness of the coatings obtained is at the level of 63–65 HRC, and the wear resistance is higher compared to standard high-chromium alloys (grades Т620 and Т590) by 2‒2.5 times. This makes it possible to recommend the coating of a given system for hardfacing the working surfaces of equipment in the coal, processing, woodworking industries, etc., where abrasive wear is the dominant type of surface wea

Properties of Glauconite/Polyaniline Composite Prepared in Aqueous Solution of Citric Acid

Hybrid composite made of glauconite and polyaniline was prepared in aqueous solution of citric acid. Scanning electron microscopy combined with energy dispersive X-ray analysis shows uniform aggregates made of glauconite microparticles and polyaniline matrix. The results of X-ray powder diffraction suggest that: (1) citric acid used for the polymerisation of aniline causes formation of emeraldine salt where macromolecular ordering in the amorphous polymer takes place; (2) no chemical interaction between glauconite and emeraldine takes place in the prepared composite. FT-IR spectra of the prepared polymer and composite show features indicating all the functional groups that are present in the diiminoquinone–diaminobenzene state of polyaniline. Thermal stability of the composite was higher than the prepared polymer suggesting the occurrence of an interphase interaction between glauconite and emeraldine. After pyrolysis in purified nitrogen the composite still remained glauconite, and ε-Fe3N together with amorphous and graphitic carbon were found as reaction products. The values of electrical conductivity and magnetization of the composite suggest that optimization of these values might be achieved based upon the relationship between glauconite and polyaniline