научная статья по теме ВЯЗКОСТЬ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ FE–CU Химия

Текст научной статьи на тему «ВЯЗКОСТЬ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ FE–CU»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2014, том 50, № 6, с. 692-696

УДК 548.736.398

ВЯЗКОСТЬ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ Fe-Cu © 2014 г. О. А. Чикова*, В. С. Цепелев*, А. Н. Константинов**, В. В. Вьюхин*

*Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург **Уральский государственный педагогический университет, г. Екатеринбург

e-mail: chik63@mail.ru Поступила в редакцию 15.01.2013 г.

С целью определения температурно-концентрационных границ области существования химически неоднородных расплавов Fe—Cu изучены концентрационные зависимости их кинематической вязкости. Опыты проведены в режиме нагрева и охлаждения образца в интервале температур от 1550 до 1700°С. Обнаружены свидетельства существования химической неоднородности расплавов Fe—Cu как в форме микрогетерогенности, так и в неоднородном распределении разносортных атомов. Определен температурно-концентрационный интервал существования микрогетерогенности на диаграмме состояний системы Fe—Cu. Установлена существенная неидеальность расплавов Fe—Cu. Для учета неоднородности распределения атомов Fe и Cu использовано квазихимическое приближение теории нерегулярных растворов; проведена оценка параметра ближнего порядка и интегральной энтальпии смешения.

DOI: 10.7868/S0002337X14060049

ВВЕДЕНИЕ

Целью работы являлся анализ изотерм кинематической вязкости расплавов системы Fe—Cu во всем концентрационном интервале для определения условий смешиваемости Cu и Fe в жидком состоянии.

Сплавы системы Fe—Cu отличаются наличием на диаграмме состояния области несмешиваемости [1, 2]. Область несмешиваемости появляется в переохлажденном расплаве (степень переохлаждения до 100° C и выше); на диаграмме состояния кривая расслоения располагается ниже кривой ликвидуса (рис. 1). В работе [3] приведены данные о величине теплоты образования расплавов системы Cu—Fe (рис. 2). Во всех опытах получены положительные значения интегральной энтальпии смешения. Обращает внимание существенный разброс опытных значений: координаты минимума интегральной энтальпии смешения варьируются в пределах от 9 до 14 кДж/моль по величине и от xFe = 0.39 до 0.70 по составу, максимум интегральной энтальпии смешения составляет 10.8 ± 0.6 кДж/моль при xCu = 0.40.

При охлаждении расплавы Fe—Cu, расслаиваются до кристаллизации на две фазы, которые в поле силы тяжести разделяются по плотностям. В результате образуется неоднородный слиток, нижняя часть которого обогащена тяжелым компонентом. Подавить расслоение и получить материал со структурой "замороженной эмульсии" можно в невесомости, в электромагнитных полях, при механическом перемешивании расплава и при гомогенизирующем перегреве металлической жид-

кости [4—7]. Получаемые такими способами сплавы Fe—Cu, обычно называемые псевдосплавами, обладают уникальными характеристиками [7].

Дискуссионными и недостаточно изученными остаются вопросы, связанные с условиями смешиваемости Cu и Fe в жидком состоянии. Данные исследований о положении купола расслоения в переохлажденных расплавах Cu—Fe позволяют сделать вывод о том, что этот процесс протекает в концентрационной области, практически симметричной относительно эквиатомного состава, а критическая температура лежит на 20—50 К ниже, чем соответствующая температура ликвидус [3]. Для расплавов с xFe = 0.08—0.75 переохлаждение, необходимое для достижения бинодали, не превышает 70 К. При этом, в концентрационном интервале xFe = 0.35—0.65 подобное переохлаждение неизменно приведет к расслоению металла, так как при нем будут достигнута спинодаль. В реальных условиях производства такое переохлаждение может быть легко достигнуто, что повлечет за собой расслоение расплава с последующей фиксацией этого состояния в структуре закристаллизованного металла.

Авторы настоящей работы считают, что наиболее перспективный способ подавления расслоения расплава Fe—Cu и получения материала с однородной структурой — гомогенизирующая термическая обработка металлической жидкости [3, 7, 8]. Этот способ позволяет получить массивные слитки с требуемой структурой в условиях естественной гравитации даже при сравнительно невысоких скоростях охлаждения. Идея метода основана на предположении о том, что за пределами области

ВЯЗКОСТЬ РАСПЛАВОВ СИСТЕМЫ Fe-Cu

693

t, °C 1700 1600 1500 1400 1300 1200

1100

1084.87

1000 900 800 700 600

мас. %

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

п-1-1-1-1-1-1-1-1-

• 1

Fe) .2

912

770

АН, кДж/моль 15

10 -

ХХХхх

Cu

0.4 0.6 ат. доли

Fe

Си 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Бе ат. %

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов Бе—Си [1]:

1 — купол расслоения на две фазы, обогащенные соответственно железом и медью, построенный по результатам изучения магнитной восприимчивости [2];

2 — купол распада метастабильной микрогетерогенности, построенный авторами данной работы по результатам измерения вязкости расплава.

несмешиваемости в металлической жидкости в течение длительного времени могут существовать мелкодисперсные капли коллоидного масштаба, обогащенные одним из компонентов. Для их разрушения нужны перегревы над куполом расслоения до определенной для каждого состава температуры ?гом или иные энергетические воздействия на расплав. После такого перегрева расплав необратимо переходит в состояние истинного раствора, что существенно изменяет условия кристаллизации металла. Ранее [7] экспериментально установлено, что разрушение микрогетерогенной структуры расплавов эвтектических и монотекти-ческих систем сопровождается аномалиями температурных зависимостей свойств металлической жидкости, в частности вязкости. Обнаружено расхождение температурных зависимостей вязкости расплава, соответствующим режимам нагрева и последующего охлаждения образца. Температуру ?гом, отвечающую необратимому переходу расплава в гомогенное состояние, определяли по началу высокотемпературного совпадающего участка политерм нагрева и охлаждения. Таким об-

Рис. 2. Интегральная энтальпия смешения расплавов Cu-Fe [3]: сплошной линией показан результат расчета, символами — экспериментальные данные.

разом, при температурах выше ?гом изотермы, отвечающие режимам нагрева и охлаждения, совпадают. Перспективен способ гомогенизации расплава, основанный на его легировании веществами, снижающими межфазное натяжение на границе коллоидных частиц [8]. Таким путем удается понизить температуру ?гом отвечающую необратимому переходу расплава в гомогенное состояние.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В данной работе проводится анализ концентрационных зависимостей кинематической вязкости расплавов системы Fe—Cu с содержанием меди 0; 4.4; 18.0; 27.4; 40.0; 46.8; 60.0; 67.2; 77.9; 88.8 и 100 мол. %. Измерения кинематической вязкости проводили в интервале температур от 1550 до 1700°С в режиме нагрева и последующего охлаждения образцов заданного элементного состава.

Вязкость v измеряли методом затухающих крутильных колебаний тигля с расплавом. Измерения проводили в режиме изотермических выдержек (не менее 30 мин) со сравнительно малыми (10—15°С) ступенчатыми изменениями температуры. Температуру поддерживали на заданном уровне с точностью 1°C с помощью высоко точного регулятора. При проведении измерений регистрацию параметров колебаний осуществляли оптическим способом с помощью системы фоторегистрации колебаний. Методика измерений и обработки экспериментальных данных подробно описана в работах [9—11]. Шихтовыми материалами при приготовлении образцов служили медь марки Мк00 и слитки карбонильного железа марки ОСЧ. Во всех опытах использовали тигли из

5

0

1550°C

Нагрев -о- Охлаждение — Расчетная кривая

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cu, ат. % 1640°C

-»- Нагрев —о— Охлаждение — Расчетная кривая

х

10 9 8 7 6 5 4 3 2

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cu, ат. % 1670°C

-♦-Нагрев -о- Охлаждение —Расчетная кривая

ва в гомогенное состояние. Значения ?гом нанесли на диаграмму состояний и получили купол распада метастабильной микрогетерогенности в расплавах системы Fe—Cu (рис. 1). Таким образом, изотермы, отвечающие режимам нагрева и охлаждения, при некоторых составах не совпадают, что связано с необратимым разрушением микрогетерогенности при нагреве жидкого металла выше ?гом.

Согласно современным представлениям о структурном состоянии металлических расплавов при температурах близких к линии ликвидус [7], химическая неоднородность может проявляться как в форме микрогетерогенности, так и в неоднородном распределении разносортных атомов. Свидетельством существования микрогетерогенности металлических расплавов является расхождение температурных и концентрационных зависимостей вязкости, полученных в режиме нагрева и охлаждения жидкого металла. Неоднородность распределения разносортных атомов, как правило, связывают с отклонением концентрационных зависимостей вязкости расплавов от идеальной изотермы [12]:

ln v = ln v1x1 + ln v2 x2,

(1)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Cu, ат. %

Рис. 3. Изотермы кинематической вязкости жидких сплавов Fe—Cu при 1550, 1640 и 1670°C (расчетные изотермы получены по формуле (1)).

ВеО. Опыты проводили в атмосфере высокочистого гелия под давлением 105 Па. Систематическая погрешность измерения V составляла 3%, а случайная, определяющая разброс точек в ходе одного опыта, при доверительной вероятности Р = 0.95 не превышала 1.5%.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Концентрационные зависимости кинематической вязкости расплавов Fe—Cu представлены на рис. 3. Для некоторых составов обнаружено расхождение изотерм нагрева и охлаждения. Авторы, опираясь на представления о микрогетерогенности металлических расплавов [7], по началу высокотемпературного совпадающего участка температурных зависимостей, полученных в режиме нагрева и охлаждения, определили температуру ?гом, отвечающую необратимому переходу распла-

где х1, х2 — концентрации компонентов, vbv2 — значения их вязкости.

Изотермы кинематической вязкости расплавов Fe—Cu (рис. 3), в том числе и в режиме охлаждения, лежат значительно ниже расчетной кривой (1), что свидетельствует о существенной неидеальности данных расплавов и не регулярности распределения атомов Fe и Cu. При анализе изотерм охлаждения расплавов F

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

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»