CC BY
25
УДК 669.764
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВОВ ФАЗ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В СИСТЕМЕ Bi-Ag-Zn
Е.А. Трофимов, Г.Г. Михайлов
RESEARCH OF COMPOSITION OF PHASES FORMED IN Bi-Ag-Zn SYSTEM
E.A. Trofimov, G.G. Mikhailov
Экспериментально исследован процесс образования интерметаллических фаз в системе Bi-Ag-Zn в условиях существования металлического расплава на основе висмута. Получены данные о форме, размерах, строении и составе интерметаллических включений, относящихся к системе Ag-Zn, образующихся в металлическом висмуте.
Ключевые слова: расплав висмута, цинк, серебро, интерметачлические включения.
The experimental research of the process of intermetallic phases formation in the Bi-Ag-Zn system under the condition of bismuth-base metal melt existence is carried out. The information on the shape, sizes, structure and composition of intermetallic inclusions in metal bismuth is received.
Keywords: bismuth melt, zinc, silver, intermetallic inclusions.
При производстве висмута, на стадии рафинирования, основным способом удаления серебра из чернового расплава является способ, основанный на введении металлического цинка. В ходе взаимодействия в металлическом расплаве образуются химически прочные, нерастворимые в висмуте интерметаллические соединения, переходящие в удаляемую в процессе рафинирования висмута пену.
При этом до настоящего времени не проводилось систематического исследования фазовых равновесий, реализующихся между металлическим расплавом на основе висмута и интерметаллическими фазами, образующимися в ходе взаимодействия цинка и серебра, растворённых в висмуте. Проведение такого рода анализа методом построения поверхностей растворимости компонентов в металле (ПРКМ) [1] требует предварительных данных о составе веществ, образующихся в ходе исследуемых взаимодействий.
Возможности использования с этой целью данных о составе образующейся в ходе рафинирования пены ограничены, поскольку состав чернового висмута сложен, что не позволяет исследовать результаты процесса образования интерме-таллидов в широком интервале составов избранных элементов в условиях отсутствия влияния прочих составляющих расплава.
В связи с этим в ходе настоящей работы было проведено экспериментальное исследование составов включений, образующихся в системе Вь-А§-2п.
Для изучения результатов процесса взаимодействия компонентов металлических расплавов в ходе настоящего исследования использована модификация методики, описанной в работе [2] и основанной на исследовании состава, размеров и формы включений сложных веществ, образующихся в жидком металле в условиях градиента концентрации примесей.
На первой стадия эксперимента были приготовлены растворы цинка (~ 10 %) и серебра 23 %) в расплаве висмута. Раствор цинка приготовлен в ходе выдержки принудительно погружённых гранул цинка (ч) в расплавленном висмуте (ТУ 6-09-3616-82) при Т= 500 °С. Для предотвращения окисления цинка использовался защитный флюс - расплав 2пС12. Аналогично, но без защитного флюса, готовился раствор серебра (марка Ср 999) в висмуте. Выплавка растворов осуществлялась в стеклянных пробирках, внутренний диаметр которых составлял величину порядка 9 мм. Таким образом, после охлаждения пробирок на воздухе, их разбивания и освобождения металла от остатков стекла были получены цилиндрические слитки растворов. Вместе с ними в стеклянной пробирке без флюса был выплавлен аналогичный слиток висмута без добавок.
Слитки растворов были разрезаны на цилиндры высотой 3-5 мм. Слиток висмута был разрезан на три цилиндрические части высотой 3, 6 и 9 мм.
Полученные слитки размещались в чистые стеклянные пробирки в следующей последова-
Трофимов Е.А., Михайлов Г.Г.
Исследование составов фаз, образующихся в системе Bi-Ag-Zn
тельности: на дно закладывались цилиндры раствора цинка в висмуте, затем цилиндры висмута без добавок, затем цилиндрические слитки раствора серебра. Поверх слитков размещался графитовый цилиндр длиной порядка 1 см и диаметром, равным внутреннему диаметру пробирки. Оставшаяся часть пробирки засыпалась молотым графитом.
Три подготовленных таким образом пробирки отличались друг от друга количеством висмута, разделявшего растворы серебра и цинка.
Горизонтально закреплённые пробирки нагревались электроплитой до расплавления металла, а затем выдерживались на расстоянии от плиты, позволяющем поддерживать температуру пробирок порядка 350 °С в течение двух минут. Горизонтальное расположение пробирок было выбрано во избежание перемешивания металла при расплавлении вследствие выдавливания расплавившегося металла вверх под давлением нераспла-вившейся его части.
После выдержки пробирки быстро охлаждались и разбивались. Полученные слитки металла разрезались вдоль, и поверхности разреза полировались. Полированные поверхности разрезов исследовались посредством растрового электронного микроскопа ШОЬ ЖМ-6460ЬУ с целью микро-рентгеноспектрапьного определения качественного и количественного состава включений, образовавшихся в металле.
Результаты электронно-микроскопического исследования продемонстрировали изменение состава интерметаллических включений вдоль исследованных образцов.
Обнаруженные включения содержат в своём составе небольшое количество висмута, а некоторые не содержат его совсем, что позволяет сделать выводы как об отсутствии в системе ВьА^-гп
тройных интерметаллических соединений, образующихся в условиях эксперимента, так и об отсутствии существенной растворимости висмута в интерметаллидах системы Ag-Zn.
При этом на всех изученных участках микро-рентгеноспектральный анализ не выявил наличия примесей в составе металлической матрицы. Согласно полученным результатам она представляет собой чистый висмут.
Представление о внешнем виде включений, относящихся к системе Ag-Zn, обнаруженных в исследованных образцах, позволяет получить микрофотографии, представленные на рис. 1. Количественная информация, полученная в результате микрорентгеноспектрального исследования этих включений, представлена на диаграмме (рис. 2). Полученные данные сопоставлены с диаграммой состояния системы Ag-Zn, приведённой в справочнике [3] по данным K.W. Andrews, Н.Е. Davies, W. Hume-Rothery и C.R. Oswin (1940-1941 гг.).
Результаты демонстрируют образование в условиях эксперимента всех фаз, представленных на диаграмме состояния.
Можно заметить, что составы фаз, полученных в ходе экспериментов, несколько расходятся с представлением о границах фаз, демонстрируемых приведённой на рис. 2 диаграммой состояния. Едва ли не большая часть полученных составов относится к областям двухфазного равновесия на диаграмме. Следует, однако, отметить, что имеющиеся в литературе данные о диаграмме состояния системы Ag-Zn достаточно неоднозначны. Современные данные отсутствуют, а приводимые в справочниках результаты относятся к исследованиям, осуществлённым в период с 1927 по 1941 годы (помимо вышеперечисленных авторов Е.А. Owen и I.G. Edmunds, Б.Г. Петренко).
Р
шя
Wmmmimrnm
'ШЩШШШ
VC ^ - и
ЩЯН
тШШ
швшшш '•>,'■ . *
■i
шЩШЩтт
^wmmmmi
..........Sip
wsM.
i i? ^ г»
.-■Я?
тЩЩШШ
шт
Äi
ЯР
mw 'шшш
a г* r „v
..V: v • A • ^ . ■ • --
- A, « *'Ws
ш&Шшт ш^ш i^esi
ШШа Ш!
шМш
шШ
• rt * ** «
* * * • * ** . •>
•-у-' -- " ' . I • ■• •
kif* ■ ■
¡¡¡¡¡И
шшт
Х258 106Mm Х258 188мтХ18Э 188мт|Х588 58мт|Х2,588 18мт
а
ß
Рис. 1. Микрофотографии, демонстрирующие внешний вид включений различных фаз, относящихся к системе Ад-2п, обнаруженных в висмуте
40 60 % (ат.)
4!) 60 %(ат.)
Рис. 2. Результаты определения состава интерметаллических включений в сопоставлении с диаграммой состояния системы Ад-гп
Л.^МД^НУ'^^ 1 -V
шш.
Исследование состава интерметаллических включений в некоторых областях изученных образцов позволило обнаружить их гетерогенность. В качестве примера на рис. 3 представлены результаты исследования одного из включений такого рода.
При этом внутренняя часть исследованных гетерогенных включений состоит из фаз с относительно высоким содержанием серебра. В зависимости от местонахождения включения это может быть а- или (3-фазы. Состав периферии гетерогенного включения в зависимости от его локализации обычно соответствует у- или е-фазам.
Выводы
Осуществлено экспериментальное исследование процесса образования интерметаллических фаз в системе Вь-А§-2п в условиях существования металлического расплава на основе висмута. Получена дополнительная информация о форме, размерах, строении и составе интерметаллических включений, относящихся к системе А§-2п, в металлическом висмуте. Результаты экспериментов сопоставлены с литературными данными.
Работа проведена по научной программе Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011
Ш '
1СшМ 1
Рис. 3. Результаты исследования гетерогенного интерметаллического включения: а - микрофотография с наложенными спектрами, иллюстрирующими изменение состава включения вдоль выделенной прямой линии: верхний спектр - серебро, средний - цинк, нижний - висмут; 6, в и г - выделенные более светлым фоном отдельные фазы на представленной микрофотографии: металл (В!), Адо^По.к ((¡-фаза) и Ад0,34Zno.ee (/-фаза) соответственно
Трофимов Е.А., Михайлов Г.Г.
Исследование составов фаз, образующихся в системе Bi-Ag-Zn
годы)», код проекта - 375 (10955), а также при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Челябинской области (грант 10-03-96061-р_урал_а).
Литература
1. Михайлов, Г.Г. Термодинамика металлургических процессов и систем / Г.Г. Михайлов,
Б.И. Леонович, Ю.С. Кузнецов. - М.: Издательский дом МИСиС. - 2009. - 520 с.
2. Поволоцкий, Д.Я. Раскисление стали / Д.Я. Поволоцкий. - М.: Металлургия. -1972. - 208 с.
3. Binary Alloy Phase Diagrams / Ed. Т. В. Mas-salski. - Second Edition. - Ohio: ASM International, Materials Park, 1990. - Vol. 1. -P. 117-118.
Поступила в редакцию 21 февраля 2011 г.
