Исследование диаграммы состояния двойной системы Cu-Zn

     

     Рисунок 2-Кристаллическая решетка цинка

     Типичный  амфотерный металл. На воздухе цинк покрывается тонкой пленкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает с образованием амфотерного белого оксида ZnO. Оксид цинка реагирует с растворами кислот, щелочами. Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот и щелочей. При нагревании цинк реагирует с галогенами с образованием галогенидов ZnHal2. С фосфором цинк образует фосфиды Zn3P2 и ZnP2. С серой и её аналогами — селеном и теллуром — различныехалькогениды, ZnS, ZnSe, ZnSe2 и ZnTe.С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором цинк непосредственно не реагирует.

     Чистый  металлический цинк используется для  восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и  других металлов) из чернового свинца в виде. Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка поверхностей, не подверженных механическим воздействиям, или металлизация — для мостов, емкостей, металлоконструкций).

     Цинк  используется в качестве материала  для отрицательного электрода в  химических источниках тока, то есть в  батарейках и аккумуляторах. Очень важна роль цинка в цинк-воздушных аккумуляторах, которые отличаются весьма высокой удельной энергоёмкостью. Они перспективны для пуска двигателей и для электромобилей. Цинк вводится в состав многих твёрдых припоев для снижения их температуры плавления.

     Цинк  — важный компонент латуни. Сплавы цинка с алюминием и магнием  благодаря сравнительно высоким  механическим и очень высоким  литейным качествам очень широко используются в машиностроении для  точного литья

     Сульфид цинка используется для синтеза  люминофоров временного действия и  разного рода люминесцентов. Люминофоры, также применяются в электронной промышленности для изготовления светящихся гибких панелей и экранов в качестве электролюминофоров и составов с коротким временем высвечивания.[4] 
 
 
 
 
 
 
 

2. Фазовый состав областей диаграммы состояния системыCu-Zn.

     Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонента Zn в твердом состоянии, с пятью перитектиками и эвтектоидом, с тремя химическими соединениями электронного типа  (рис.3).

     В системе Cu-Znразличают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы: α, β, γ, δ, ε, η.

     Область твердого раствора α. Решетка гранецентрированная  кубическая. Растворимость Zn в твердом растворе на основе меди сначала увеличивается от 31,9 ат.% при 902°С до 38,3 ат.% при 454°С, а затем понижается и составляет 34,5 ат.% Zn при 150°С и 29 ат.% Zn при 0°С.

     Область твердого раствора β, построенного на базе химического соединения электронного типа CuZn. Концентрация меди при разных температурах меняется в пределах от 63% до 56,5%. Решетка β-фазы объемноцентрированная кубическая. Растворимость Zn находится в пределах 36,1 ат.% Zn при 902°С, 56,5ат.% Zn при 834°С, 44,8 ат.% Zn при 454°С и 48,2ат.% Zn при 468°С. В интервале температур 454-468°С происходит превращение β↔β’, которое является упорядочением.

     Область твердого раствора γ,построенного на базе второго соединения электронного типа . Решетка сложная, кубического типа с ячейками, состоящими из 52 атомов.

       Область твердого раствора д.  Фаза д находится в интервале  температур 700-558°С и при 558°С распадается по эвтектоидной реакции д↔г+е. Решетка объемноцентрированная.

     Область твердого раствора е, построена на базе третьего соединения электронного типа Cu . Решетка гексагональная. Растворимость Zn находится в пределах 78 ат.% Zn при 597°С и 87,5ат.% Zn при 423°С.

     Область твердого раствора з. Растворимость  меди в з-твердом растворе на основе Zn уменьшается от 2,8 ат.% при 424°С до 0,31 ат.% при 100°С. Решетка гексагональная.

     Между областями чистых фаз имеются  промежуточные области со структурами: α+β, β+γ, γ+δ, δ+ε, γ+ε, ε+η.[3] 

Рисунок 3- Фазовая  диаграмма Cu-Zn 
 
 
 
 
 
 

3 Структурный  состав областей диаграммы состояния  системы Cu-Zn

     Структурный состав областей диаграммы не будет  сильно отличаться от фазового состава  за исключением той области, где  происходит эвтектоидное превращение (рис.4).

      При концентрации Zn 68 – 70,5 % (т.P) структура будет представлять собой кристаллы γ-фазы и вторичных выделений ε-фазы  
 
 
 

     При концентрации Zn70,5 – 74 %[XY]структура представляет собой

смесь кристаллов γ-фазы и эвтектоида (γ+ε)

       
 
 
 

     При концентрации Zn 74 % (т.Y) структура представляет собой 100 % эвтектоида (γ+ε).

       
 
 
 

      При концентрации Zn 74 – 76,5 % структура представляет собой смесь кристаллов эвтектоида (γ+ε) и ε-фазы. 
 
 
 
 
 
 

       

     Рисунок 4- Структурная диаграммаCu-Zn 
 
 

4 Фазовые превращения  диаграммы состояния системы  Cu-Zn.

     Система характеризуется наличием пяти нонвариантных  перитектических превращений и  одним эвтектоидным превращением (рис.3).

     Из шести фаз только α-фаза образуется непосредственно при кристаллизации первой группы сплавов из расплавленного состояния.  Остальные фазы – β, γ, δ, ε и η образуются по перетектическим реакциям.

     Линия ABC : перитектическая  линия, в равновесии 3 фазы - ж, α, β, которые связаны перетектическим превращением при Т=903°С:

     ж(38%Zn)+ α (32.5% Zn)↔β (36.9%Zn)

Линия EFM : перитектическая  линия, в равновесии 3 фазы - ж, β, γ,  которые связаны перетектическим превращением при Т=835°С:

     Ж(60,3 %Zn)+ β (56,5 %Zn)↔γ

Причем составы  жидкости и γ-фазы одинаковы.[7]

Линия DKO: перитектическая  линия, в равновесии 3 фазы - ж, γ,δ  которые связаны перетектическим превращением при Т=699°С:

     Ж(80,5% Zn)+γ(69,9 % Zn)↔δ(73 % Zn)

Линия SLH: перитектическая  линия, в равновесии 3 фазы - ж, δ, ε, которые связаны перетектическим превращением при Т=597°С:

     ж(88,4 % Zn)+δ(76,5 % Zn)↔ε(78,5 % Zn)

Линия QRT: перитектическая  линия, в равновесии 3 фазы - ж, ε, η,  которые связаны перетектическим превращением при Т=424°С:

     ж(98,2 % Zn)+ε(87,5 % Zn)↔η(97,3 % Zn)

Линия XYZ:эвтектоидная   линия, в равновесии 3 фазы - γ ε, δ,  которые связаны эвтектоидным превращением при Т=557°С:

     δ(74 % Zn)↔γ(70,5 % Zn)+ε(78,5 % Zn) 

 

5 Сплавы системы  Cu-Zn.

     Латунь (желтая медь) - представляет один из самых  полезных и наиболее употребляемых  сплавов. Состав её изменяется в довольно широких пределах соответственно её назначению, но главные составные  части - медь и цинк -обыкновенно  находятся в отношении около 2 частей меди и 1 ч. цинка.

     Двойные медноцинковые сплавы называются простыми латунями, а многокомпонентные — специальными. По технологическому принципу эти сплавы делятся на латуни деформируемые и латуни литейные. Латуни, содержащие 88—97% Cu, называются томпаком, а 79—86% Cu — полутомпаком.

     Латунь  маркируется следующим образом: сначала идет буква Л, а за ней  ставятся цифры, указывающие процентное содержание меди, а также других металлов в сплаве. Такая маркировка позволяет легко ориентироваться  в свойствах и области применения. Так, например, латуни Л62 и Л68 используются вместо меди для изготовления деталей  методом глубокой штамповки. Состав латуни должен соответствовать нормам ГОСТа.[2]

     . Для двухкомпонентной латуни особое значение имеет фазовый состав сплава. Предел растворимости цинка в меди при комнатной температуре равен 39 %. При повышении температуры он снижается и при 905 °C становится равным 32 %. По этой причине латуни, содержащие цинка менее 39 %, имеют однофазную структуру (α-фаза) твердого раствора цинка в меди. Их называют α-латунями. Если в расплав ввести больше цинка, то он не сможет полностью раствориться в меди, и после затвердевания возникнет вторая фаза – β-фаза. β-фаза очень хрупка и тверда, поэтому двухфазные латуни имеют более высокую прочность и меньшую пластичность, чем однофазные. 
 
 
 
 
 

6 Промышленный  сплав Л62.

     6.1 Превращения, кривая охлаждения.

     Для изучения был выбран сплав Л62, концентрация меди в котором составляет 60,5-63,5 %. При комнатной температуре это будет α-латунь. При нагревании приблизительно при 500°С вертикаль фигуративной точки ее вступит в область α+β. При температуре около 700°С эта латунь будет иметь структуру, состоящую примерно на 50 % из α-фазы и на 50 % из β-фазы. При температуре 850°С фигуративная точка этой латуни вступит уже в однофазную область  β-фазы.

     Рассмотрим  процесс  охлаждения двухкомпонентной системы Cu-Zn, содержащей 61 % меди.

     До  температуры 907°С идет охлаждение жидкого расплава. При температуре 907°С начинают выпадать первые кристаллы  α - фазы.  При температуре 903°С  происходит перитектическое превращение, в результате которого из жидкости и α – фазы образуется β-фаза. После этого из β-фазы начнет выделяться α-фаза и при температуре 670°С будет охлаждаться α-фаза.

     Все эти превращения показаны в виде кривой охлаждения на рисунке 6 и лесенки  на рисунке 7.  Структура, полученная при охлаждении промышленного сплава, показана на рисунке 5.

     

        Рисунок 5-Микроструктура сплава  Л62 

     

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 6-Кривая охлаждения 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 7-Лесенка 

          6.2  Термическая обработка сплава  Л62.

     Латунь  марки Л62 претерпевает отжиг второго  рода, при котором происходят фазовые  превращения α→β и β→α. Поскольку  прочностные и пластические свойства здесь зависят от соотношения  количеств и формы кристаллов α- и β-фаз в структуре латуни (а это соотношение меняется с  температурой и зависит от продолжительности  выдержки), возможны разные варианты отжига.

     Если  отжигаемый металл, предназначается  для дальнейшей холодной обработки  давлением, то выгоднее охлаждать его  после отжига медленно, чтобы обеспечить максимально полный переход β→α. Если требуется повышенная твердость, лучшая обрабатываемость резанием, то лучше после отжига охлаждение металла  вести быстрее для обеспечения  превалирующего в структуре количества β-кристаллов.Для предохранения от коррозионного растрескивания латунь обычно подвергается отжигу при температуре 250—270° С.Для снятия наклепа применяют рекристаллизационный отжиг при 500-700 °С

     В латунях со структурой α+β при  охлаждении с высоких температур форма выделений α-фазы в результате превращения β→α зависит от условий  охлаждения: при сравнительно быстром  охлаждении α-фаза выделяется в игольчатой форме, и чем быстрее идет охлаждение, тем более мелкозернистой получается структура. При закалке из области  чистой β-фазы наблюдается лишь начало превращения β→α:  α-кристаллы  в виде мелких острых зубчиков появляются на границах между зернами β-фазы.

     При большом количестве крупных выделений  α-кристаллов с игольчатой формой структура  более благоприятна для холодной обработки давлением. В условиях медленного охлаждения выделяющиеся из β-фазы кристаллы α-латуни приобретают  форму компактных зерен с криволинейными очертаниями границ.

     Такую же форму α-кристаллы приобретают  в латуни со структурой β, полученной путем закалки с высоких температур 750-800°С, если после закалки их подвергать длительному нагреванию при температурах 300-400°С.

     Следует напомнить о том, что β-фаза обладает свойством при затянувшемся нагреве  при высокой температуре(примерно  ≥800°С) приобретать все более  и более крупнозернистое строение с возрастающим ослаблением межкристаллических связей, с понижением пластичности и прочности.