Поверхность ликвидуса системы Cu-Ni-Si

УДК 541.123 + 669.33

ПОВЕРХНОСТЬ ЛИКВИДУСА СИСТЕМЫ Cu-Ni-Si

Е.А. Трофимов, С.В. Рябошук, О.В. Никонова

Осуществлено моделирование фазовых равновесий, реализующихся в медном углу диаграммы состояния системы Си-№—Зі, в условиях существования металлического расплава. Результаты представлены в виде проекции поверхности ликвидуса для этой системы. Результаты работы могут быть использованы для анализа технологических процессов производства меди и сплавов на ее основе.

Ключевые слова: фазовые равновесия, поверхность ликвидуса, система Си-№—Зі, силициды никеля.

Известно, что кремнисто-никелевые бронзы (низколегированные сплавы системы Cu-Ni-Si) представляют интерес как материалы с удачным сочетанием высокой прочности, жаропрочности, тепло- и электропроводности. Такие бронзы находят применение при производстве антифрикционных деталей, в авиамоторостроении и электротехнике [1-3].

Свойства этих сплавов в значительной степени обусловлены взаимодействием их компонентов в жидком металле в процессе их выплавки, а также в процессе кристаллизации металла.

Ранее [4-6] нами различными методами было выполнено термодинамическое моделирование и экспериментальное исследование фазовых равновесий, реализующихся в системе Cu-Ni-Si. Результаты расчетов были представлены в виде 7-х-фазовых диаграмм традиционного вида. В ходе других работ [7-9] были построены ПРКМ систем Cu-Ni-O, Cu-Si-O и Cu-Ni-Si-O. Таким образом, фазовые равновесия в этих системах были представлены в форме, удобной для рассмотрения того, как изменения в составе металлического расплава сказываются на качественных изменениях в составе равновесных с металлом сложных фаз.

Цель настоящей работы - представить результаты моделирования фазовых равновесий в системе Cu-Ni-Si в аналогичной, удобной для анализа форме - в виде проекции поверхности ликвидуса.

В ходе настоящей работы для расчетов составов равновесных фаз и визуализации результатов таких расчетов использован программный пакет FactSage (версия 6.0) производства GTT Technologies (Канада, Германия)1. В процессе расчета использована база данных SGTE.

Адекватность моделирования трехкомпонентной системы в значительной степени зависит от корректности параметрического обеспечения расчета фазовых равновесий в граничных двухкомпонентных системах. С целью проверки степени оп-тимизированности модельных параметров предва-

1 Версия пакета, принадлежащая ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

рительно были рассчитаны диаграммы состояния двойных систем Си-№ (рис. 1), Си^ (рис. 2) и (рис. 3). Сопоставление результатов расчета с данными по диаграммам состояния двойных систем, представленными в справочниках [11-14], свидетельствует о корректности используемой параметрической базы.

В процессе расчета координат поверхности ликвидуса трехкомпонентной системы учитывалась возможность существования всех силицидов, характерных для двойных диаграмм состояния систем Cu-Si и и не учитывалась возмож-

ность образования соединения между тремя элементами.

На рис. 4. представлены результаты проведенного расчета. Интервал концентраций, для которого проведен расчет: 0-10 мас. % Ni и 0-5 мас. % Si.

На рис. 4 представлены изотермы, принадлежащие интервалу температур 1100-1250 °С с шагом 25 °С. Согласно проведенному расчету, в исследованном интервале температур и концентраций в равновесии с металлическим расплавом могут находится четыре разновидности силицидных фаз. Все они - силициды никеля: NiзSi, NІ5SІ2, NІ2Si и 0-фаза переменного состава, границы существования которой при различных температурах лежат между стехиометрическими составами и №^2.

Рис. 1. Результаты расчета диаграммы состояния системы Cu-Ni

т, °с

1140

Рис. 2. Результаты расчета диаграммы состояния системы Си^

0 12 24 36 48 [81]5 мае. %

Рис. 3. Результаты расчета диаграммы состояния системы Ni-Si

Рис. 4. Проекция поверхности ликвидуса для системы Cu-Ni-Si

Заключение

Осуществлен расчет фазовых равновесий, реализующихся в медном углу диаграммы состояния системы Cu-Ni-Si. Результаты представлены в виде проекции поверхности ликвидуса для этой системы, которая позволяет судить о том, как изменения в составе металлического расплава сказываются на качественных изменениях в составе равновесных с металлом силицидных фаз.

Работа осуществлена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 13-08-00545.

Литература

1. Машиностроительные материалы: крат. справ. / В.М. Раскатов, В. С. Чуенков, Н. Ф. Бессонова, Д.А. Вейс. - М.: Машиностроение, 1980. - 511 с.

2. Машиностроение: энциклопед. справ. Раздел второй. Материалы машиностроения. Т. 4. / под. ред. Е.А. Чудакова. - М.: Гос. науч.-техн. изд-во машиностроит. лит., 1947. - 428 с.

3. Phase equilibria of the Cu-Ni-Si system at 700 °C / W. Sun, H. Xu, Sh. Liu et al. // J. Alloys and Compounds. - 2011. - Vol. 509, no. 41 - P. 9776-9781.

4. Самойлова, О.В. Изучение результатов процесса образования силицидов никеля в системе Cu-Ni-Si в условиях существования металлического расплава на основе меди / О.В. Самойлова, Г.Г. Михайлов, Е.А. Трофимов // Расплавы. - 2007. -№ 4. - С. 37-41.

5. Трофимов, Е.А. Расчет изотермических сечений фазовой диаграммы системы Cu-Si-Ni / Е.А. Трофимов, О.В. Самойлова, Г.Г. Михайлов // Вест. Юж.-Урал. гос. ун-та. Сер. «Металлургия». -2011. - Вып. 17, № 36 (253). - С. 7-10.

6. Термодинамическое моделирование линии ликвидус системы Ni-Si / О.В. Самойлова, Л.А. Ма-кровец, Г.Г. Михайлов, Е.А. Трофимов // Вест.

Юж.-Урал. гос. ун-та. Сер. «Химия». - 2012. -Вып. 9, № 24 (283). - С. 69-73.

7. Термодинамика процессов взаимодействия в системе Cu-Ni-O / Г.Г. Михайлов, О.В. Самойлова, Е.А. Трофимов и др. // Вест. Юж.-Урал. гос. ун-та. Сер. «Металлургия». - 2008. - Вып. 10. -№ 9 (109). - С. 31-33.

8. Трансформация неметаллических включений, образующихся в ходе взаимодействия в медном расплаве, содержащем никель и кислород /

О.В. Самойлова, Г.Г. Михайлов, И.Ю. Пашкеев, Е.А. Трофимов // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2009. - № 5. - C. 7-9.

9. Совершенствование параметрической базы, необходимой для термодинамического моделирования огневого рафинирования меди / Г.Г. Михайлов, О.В. Самойлова, Е.А. Трофимов, Л.А. Мак-ровец // Вест. Юж.-Урал. гос. ун-та. Сер. «Металлургия». - 2010. - Вып. 15, № 34 (210). - С. 35-38.

10. Термодинамический анализ системы Cu-Si-Ni-O / О.В. Самойлова, Л.А. Макровец, Г.Г. Михайлов, Е.А. Трофимов // Известия вузов. Цветная металлургия - 2012. - № 3. - С. 12-16.

11. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди: справ. / под ред. М.Е. Дрица; Институт металлургии им. А.А. Байкова. - М.: Наука, 1979. - 248 с.

12. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справ.: в 3 т. / под общ. ред.

Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1997. -Т. 2. - 1024 с.

13. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справ.: в 3т. /под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1999. - Т. 3, кн. 1. -880 с.

14. Binary Alloy Phase Diagrams. Second Edition. V. 1-3. / Ed. T.B. Massalski. - Ohio: ASM International, Materials Park, 1990.

Трофимов Евгений Алексеевич, кандидат химических наук, доцент кафедры общей металлургии, Южно-Уральский государственный университет, филиал в г. Златоусте. 456209, Челябинская обл., г. Златоуст, ул. Тургенева, 16. Тел.: (3513)665829. E-mail: tea7510@gmail.com.

Рябошук Сергей Владимирович, ассистент кафедры металлургических технологий, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29. E-mail: cmd_84@mail.ru.

Никонова Ольга Владимировна, инженер кафедры общей металлургии, Южно-Уральский государственный университет, филиал в г. Златоусте. 456209, Челябинская обл., г. Златоуст, ул. Тургенева, 16. E-mail: nikonovaolga90@mail.ru.

Bulletin of the South Ural State University

Series “Metallurgy” ______________2013, vol. 13, no. 2, pp. 11-15

LIQUIDUS SURFACE OF THE Cu-Ni-Si SYSTEM

E.A. Trofimov, South Ural State University, Zlatoust Branch, Zlatoust, Chelyabinsk region, Russian Federation, tea7510@gmail.com,

S.V. Ryaboshuk, St. Petersburg State Polytechnical University, St.Petersburg,

Russian Federation, cmd_84@mail.ru,

O. V. Nikonova, South Ural State University, Zlatoust Branch, Zlatoust, Chelyabinsk region, Russian Federation, nikonovaolga90@mail.ru

Modeling of phase equilibria for the copper comer of the phase diagram of the Cu-Ni-Si system is carried out. Results are shown as projections of the liquidus surface of the system. These results can be used to analyze the production process of copper and copper-based alloys.

Keywords: phase equilibrium, liquidus surface, Cu-Ni-Si system, nickel silicide.

References

1. Raskatov V.M., Chuenkov V.S., Bessonova N.F., Veys D.A. Mashinostroitel'nye materialy [Engineering Materials]. Moscow, Mashinostroenie, 1980. 511 p.

2. Mashinostroenie: Entsikloped. spravochnik. Razdel 2. Materialy mashinostroeniya [Mechanical Engineering: Encyclopedic Handbook. Section 2. Engineering Materials]. Ed. by E.A. Chudakov. Moscow, 1947. 428 p.

3. Sun W., Xu H., Liu Sh., Du Y., Yuan Zh., Huang B. Phase Equilibria of the Cu-Ni-Si System at 700 °C. J. Alloys and Compounds, 2011, v. 509, no. 41, pp. 9776-9781.

4. Samoilova O.V., Mikhaylov G.G., Trofimov E.A. Study Results of the Nickel Silicides Formation in the Molten Metal in the Cu-Ni-Si System [Izuchenie rezul'tatov protsessa obrazovaniya silitsidov nikelya v sisteme Cu-Ni-Si v usloviyakh sushchestvovaniya metallicheskogo rasplava na osnove medi]. Rasplavy, 2007, no. 4, pp. 37-41.

5. Trofimov E.A., Samoilova O.V., Mikhailov G.G. Calculation of Isothermal Sections of Phase Diagram for Cu-Si-Ni System [Raschet izotermicheskikh secheniy fazovoy diagrammy sistemy Cu-Si-Ni]. Bulletin of the South Ural State University. Series “Metallurgy”, 2011, no. 36 (253), issue 17, pp. 7-10.

6. Samoylova O.V., Makrovets L.A., Mikhailov G.G., Trofimov E.A. Thermodynamic Modeling of Liquidus Line of Ni-Si System [Termodinamicheskoe modelirovanie linii likvidus sistemy Ni-Si]. Bulletin of the South Ural State University. Series “Chemistry”, 2012, no. 24, issue 9, pp. 69-73.

7. Mikhaylov G.G., Samoylova O.V., Trofimov E.A., Sidorenko A.Yu., Pashkeev I.Yu. Thermodynamic Analysis of Interaction in the Cu-Ni-O System [Termodinamicheskiy analiz protsessov vzaimodeystviya v sisteme Cu-Ni-O]. Bulletin of the South Ural State University. Series “Metallurgy”, 2008, no. 9 (109), issue 10, pp. 31-33.

8. Samoilova O.V., Mihailov G.G., Pashkeev I.Yu., Trofimov E.A. Transformation of Non-Metallic Inclusions Formed During Interaction in a Cupreous Melt Containing Nickel and Oxygen. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2009, vol. 50, no. 5, pp. 437-440. doi: 10.3103/S1067821209050010.

9. Mikhailov G.G., Samoilova O.V., Trofimov E.A., Makrovets L.A. Adjustment of Thermodynamical Parameter Base for Modeling Copper Melt Fire Refining [Sovershenstvovanie parametricheskoy bazy, neobkhodimoy dlya termodinamicheskogo modelirovaniya ognevogo rafinirovaniya medi]. Bulletin of the South Ural State University. Series “Metallurgy”, 2010, no. 34 (210), issue 15, pp. 35-38.

10. Samoilova O.V., Makrovets L.A., Mikhailov G.G., Trofimov E.A. Thermodynamic Analysis of the Cu-Si-Ni-O System. Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2012, vol. 53, no. 3, pp. 223-228. doi: 10.3103/S1067821212030182.

11. Dvoynye i mnogokomponentnye sistemy na osnove medi [Binary and Multicomponent Systems Based on Copper]. Ed. by M.E Drits. Moscow, Nauka, 1979. 248 p.

12. Diagrammy sostoyaniya dvoynykh metallicheskikh system. Tom 2. [Diagrams of Binary Metal Systems. Vol. 2]. Ed. by N.P. Lyakishev. Moscow, Mashinostroenie, 1997. 1024 p.

13. Diagrammy sostoyaniya dvoynykh metallicheskikh system. Tom 3. Kniga 1. [Diagrams of Binary Metal Systems. Vol. 3. Part 1]. Ed. by N.P. Lyakishev. Moscow, Mashinostroenie, 1999. 880 p.

14. Binary Alloy Phase Diagrams. Second Edition. Vol. 1-3. Ed. by T.B. Massalski. Materials Park, Ohio, ASM International, 1990.

Поступила в редакцию 19 сентября 2013 г.