blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-11-852-859blackmet-1757Research ArticleФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВPHYSICO-CHEMICAL BASICS OF METALLURGICAL PROCESSESИсследование двухфазного состояния расплавов системы Fe – Cu при их охлаждении в вискозиметреTwo-phase state of the melts of Fe – Cu system during their cooling in a viscometerФилоновМ. Р.FilonovM. R.

Доктор технических наук, профессор, проректор по науке и инновациям

119991, Москва, Ленинский пр., 4

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Vice Rector for Research and Innovation

Moscow

filonov@misis.ruСанинВ. В.SaninV. V.

Инженер 1 кат.

119991, Москва, Ленинский пр., 4

Engineer 1 cat. 

Moscow

sanin@misis.ruАникинЮ. А.AnikinYu. A.

Кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник НОЦ «Наноматериалы и нанотехнологии»

119991, Москва, Ленинский пр., 4

Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher of the Scientific and Educational Center “Nanomaterials and Nanotechnologies”

Moscow

otcm2004@mail.ruКостицынаЕ. В.KostitsynaE. V.

Кандидат технических наук, научный сотрудник НОЦ «Наноматериалы и нанотехнологии»

119991, Москва, Ленинский пр., 4

Cand. Sci. (Eng.), Research Associate of the Scientific and Educational Center “Nanomaterials and Nanotechnologies”

Moscow

ek-misis@mail.ruВидинеевС. Н.VidineevS. N.

Бакалавр

119991,  Москва, Ленинский пр., 4

Bachelor

Moscow

ser_vid@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian Federation2019231220196211852859Copyright © Филонов М.Р., Санин В.В., Аникин Ю.А., Костицына Е.В., Видинеев С.Н., 20192019Филонов М.Р., Санин В.В., Аникин Ю.А., Костицына Е.В., Видинеев С.Н.Filonov M.R., Sanin V.V., Anikin Y.A., Kostitsyna E.V., Vidineev S.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1757

Сплавы Fe – Cu можно охарактеризовать как систему с несмешивающимися компонентами (НК). Это утверждение основано на слабой взаимной растворимости в твердом состоянии. Кроме того, при малом содержании углерода система Fe – Cu расслаивается и в жидком состоянии. Сплавы с НК имеют простой фазовый состав из практически чистых компонентов. Данное обстоятельство определяет значительный практический интерес к ним. Определенные успехи достигнуты в технологии производства демпфирующих сплавов системы Fe – Cu– Pb. При оптимально подобранной технологии можно получить конечный продукт, сочетающий свойства чистых компонентов сплава в необходимой для практического применения пропорции. Например, в сплавах Fe – Cu диамагнитная медь обладает высокой электропроводностью и теплопроводностью, а ферромагнитное железо – повышенными по сравнению с медью прочностными характеристиками. При определенным образом организованной структуре сплава можно получить либо конечный продукт, обладающий высокой электропроводностью и теплопроводностью меди, повышенными прочностными свойствами железа, либо магнитотвердый материал с пластичностью меди. При исследовании сплавов системы железо – медь основное внимание уделялось структурным исследованиям и измерениям служебных свойств. При этом не анализировалась динамика образования макрои микроструктуры сплавов. В настоящей работе методами высокотемпературной вискозиметрии исследовалась именно динамика образования макроструктуры твердой фазы, обогащенной железом, в процессе кристаллизации расплава при его охлаждении. Учитывая определяющее влияние скорости охлаждения расплава на размер и морфологию кристаллизующихся включений, а также значительную величину двухфазной области, особое внимание было уделено теплофизическому анализу режима измерения. Проведен анализ достоверности полученных результатов на основе теории метода измерения вязкости. Исследовано двухфазное состояние расплавов системы Fe– Cu при их охлаждении по изменению декремента затухания. Проведен анализ теплофизических процессов, протекающих при измерении декремента затухания. Установлено, что данный процесс проходит в квазиравновесных условиях и скорость охлаждения близка к нулевой. Отсутствуют градиенты температуры как по радиусу, так и по высоте. Для исследуемых составов Fe50Cu50 , Fe40Cu60 , Fe30Cu70 определена динамика выпадения твердой фазы.

Alloys Fe – Cu can be characterized as a system with immiscible components (IC). This statement is based on a weak mutual solubility in the solid state. In addition, with low carbon content, the Fe – Cu system is also stratified in the liquid state [1]. Alloys with IC have a simple phase composition of almost pure components. This determines a significant practical interest in these alloys. Certain successes have been achieved in the technology of manufacturing damping alloys of the Fe – Cu– Pb system. With optimally selected technology for their preparation, it is possible to obtain the final product combining the properties of pure alloy components in the proportion required for practical application. For example, in Fe – Cu alloys, diamagnetic copper has high electrical conductivity and thermal conductivity, and ferromagnetic iron has enhanced strength characteristics compared to copper. When structure of the alloy is organized in a certain way, it is possible to obtain either a final product with high electrical conductivity and thermal conductivity of copper, enhanced strength properties of iron, or – a hard magnetic material with ductility of copper. The ironcopper system alloys were considered in [2 – 13], in which the main attention was paid to structural studies and measurements of service properties. At the same time, the dynamics of macroand microstructure formation of alloys were not analyzed. In the present work, it was the dynamics of macrostructure formation of the solid phase enriched with iron in process of crystallization of the melt during its cooling that was studied using high-temperature viscometry. Considering the final influence of the melt cooling rate on the size and morphology of crystallizing inclusions, and a significant amount of the two-phase area, special attention was paid to thermophysical analysis of the measurement mode. Analysis of reliability of the results obtained was made by the method of viscosity measuring. Phase state of the melts of Fe – Cu system was investigated during cooling by changing the damping factor. The analysis of thermophysical processes occurring in the measurement of the damping factor was carried out. It has been established that the process of measuring the damping decrement takes place under quasi-equilibrium conditions and the cooling rate is close to zero. There are no temperature gradients, both in radius and in height. For compositions Fe50Cu50 , Fe40Cu60 , Fe30Cu70 the dynamics of precipitation of the solid phase were determined.

сплавы системы Fe – Cuнесмешивающиеся компонентывязкостьдекремент затуханиявискозиметрThe work was performed as part of the state task of the Ministry of Education and Science no. 11.1397.2017/PC.Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки № 11.1397.2017/ПЧ.ReferencesXiaohong Y., Cunhong J., Juntao Z., Xianhui W. Preparation and characterization of CuFe alloy ribbons // Rare Metal Materials and Engineering. 2015. Vol. 44. No. 12. P. 2949 – 2953.Xiaohong Y., Cunhong J., Juntao Z., Xianhui W. Preparation and characterization of CuFe alloy ribbons. Rare Metal Materials and Engineering. 2015, vol. 44, no 12, pp. 2949–2953.Bachmaier A., Kerber M., Setman D., Pippan R. The formation of supersaturated solid solutions in Fe–Cu alloys deformed by high-pressure torsion // Acta Materiallia. 2012. Vol. 60. No. 3. P. 860 – 871.Bachmaier A., Kerber M., Setman D., Pippan R. The formation of supersaturated solid solutions in Fe–Cu alloys deformed by high-pressure torsion. Acta Materiallia. 2012, vol. 60, no 3, pp. 860–871.Alami A.H., Alketbi A., Almheiri M. Synthesis and microstructural and optical characterization of Fe–Cu metastable alloys for enhanced solar thermal absorption // Energy Procedia. 2015. Vol. 75. P. 410 – 416.Alami A.H., Alketbi A., Almheiri M. Synthesis and microstructural and optical characterization of Fe–Cu metastable alloys for enhanced solar thermal absorption. Energy Procedia. 2015, vol. 75, pp. 410–416.Lucas F.M., Trindade B., Costa B., Caer G.Le. Mechanical alloying of Fe–Cu alloys from as-received and premilled elemental powder mixtures // Key Engineering Materials. 2002. Vol. 230 – 232. P. 631 – 634.Lucas F.M., Trindade B., Costa B., Caer G.Le. Mechanical alloying of Fe–Cu alloys from as-received and premilled elemental powder mixtures. Key Engineering Materials. 2002, vol. 230-232, pp. 631–634.Alami A.H., Zhang D., Aoka C., Abed J. Influence of magnetic field on the mesoporous structure of Fe–Cu compounds in dye-sensitized photovoltaic Cells // Energy Procedia. 2016. Vol. 65. P. 389 – 398.Alami A. H., Zhang D., Aoka C., Abed J. Influence of magnetic field on the mesoporous structure of Fe-Cu compounds in dye-sensitized photovoltaic cells. Energy Procedia. 2016, vol. 65, pp. 389–398.Barthem V.M., Noce R.D., Mocedo W.A., Givord D. Magnetic properties of electrodeposited Fe-poor Fe-Cu alloys // Brazilian Journal of Physics. 2009. Vol. 39. No. 1A . P. 178 – 185.Barthem V.M., Noce R.D., Mocedo W.A., Givord D. Magnetic properties of electrodeposited Fe-poor Fe–Cu alloys. Brazilian Journal of Physics. 2009, vol. 39, no. 1A, pp. 178–185.Blackstok J.J., Ackland G.J. Phase transitions of copper precipitates in Fe–Cu alloys // Philosophical magazine A. 2001. Vol. 81. P. 2127 – 2148.Blackstok J.J., Ackland G.J. Phase transitions of copper precipitates in Fe–Cu alloys. Philosophical magazine A. 2001, vol. 81, pp. 2127–2148.Annamalai R., Upadhyaya A., Agrawal D. An investigation on microwave sintering of Fe, Fe–Cu and Fe–Cu–C alloys // Bull. Mater. Sci. 2013.Vol. 36. No. 3. Р. 447 – 456.Annamalai R., Upadhyaya A., Agrawal D. An investigation on microwave sintering of Fe, Fe–Cu and Fe–Cu–C alloys. Bull. Mater. Sci. 2013, vol. 36, no 3, pp. 447–456.Liu J.Z., Van de Walle A., Ghosh G., Asta M. Structure, energetics, and mechanical stability of Fe–Cu BCC alloys from first-principles calculations // Physical Review B. 2005. Vol. 72. No. 14. P. 144109.Liu J.Z., Van de Walle A., Ghosh G., Asta M. Structure, energetics, and mechanical stability of Fe-Cu BCC alloys from first-principles calculations. Physical Review B. 2005, vol. 72, no. 14, pp. 144109.Noce R.D., Gomes O.D.M., de Magalhães S.D., Wolf W. Magnetic properties of Fe–Cu alloys prepared by pulsed electrodeposition // Journal of Applied Physics. 2009. Vol. 106. No. 9. P. 093907.Noce R. D., Gomes O. D. M., de Magalhães S. D., Wolf W. Magnetic properties of Fe–Cu alloys prepared by pulsed electrodeposition. Journal of Applied Physics. 2009, vol. 106, no. 9, pp. 093907.Mashimo T., Huang X., Fan X., Koyam K. Slater-Pauling curve of Fe–Cu solid solution alloys // Physical Review B. Vol. 66. No. 13. P. 132407.Mashimo T., Huang X., Fan X., Koyam K. Slater-Pauling curve of Fe–Cu solid solution alloys. Physical Review B. vol. 66, no. 13, pp.132407.Ursev V.N., Mirzaev D.A., Yakovleva I.L. Transformation of austenite in Fe-Cu alloys. I: Kinetics of the transformation // The Physics of Metals and Metallography. 2008. Vol. 105. Issue 3. P. 298 – 304.Ursev V.N., Mirzaev D.A., Yakovleva I.L. Transformation of austenite in Fe–Cu alloys. I: Kinetics of the transformation. The Physics of Metals and Metallography. 2008, vol. 105, no 3, pp. 298–304.Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Новые композиционные материалы на основе несмешивающихся компонентов: получение, структура, свойства. – М.: МГИУ, 1999. – 206 с.Avraamov Yu.S., Shlyapin A.D. Novye kompozitsionnye materialy na osnove nesmeshivayushchikhsya komponentov: poluchenie, struktura, svoistva [New composite materials based on immiscible components: production, structure, properties]. Moscow: MGIU, 1999, 206 p. (In Russ.).Nayana N., Murtya N., Ahay K. etc. Processing and characterization of Al–Cu–Li alloy AA2195 undergoing scale up production through the vacuum induction melting technique // Materials Science and Engineering: A. 2013. Vol. 576. P. 21 – 28.Nayana N., Murtya N., Ahay K., Pant Jh.B., Sharmaa S.C., Georgea K.M., Sastryb G.S. Processing and characterization of Al–Cu–Li alloy AA2195 undergoing scale up production through the vacuum induction melting technique. Materials Science and Engineering: A. 2013, vol. 576, pp. 21–28.Mittlera T., Gresha T., Feistlea M. etc. Fabrication and processing of metallurgically bonded copper bimetal sheets // Journal of Materials Processing Tech. 2019. Vol. 263. P. 33 – 41.Mittlera T., Gresha T., Feistlea M., Krinningera M., Hofmannb U., Riedleb J., Gollea R., Volk W. Fabrication and processing of metallurgically bonded copper bimetal sheets. Journal of Materials Processing Technology. 2019, vol. 263, pp. 33–41.Sanin V.V., Аnikin Yu. A., Yukhvid V. I., Filonov M. R. Structural heredity of alloys produced by centrifugal SHS: influence of remelting temperature // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2015. Vol. 24. No. 4. Р. 210 – 214.Sanin V.V., Аnikin Yu. A., Yukhvid V. I., Filonov M. R. Structural heredity of alloys produced by centrifugal SHS: influence of remelting temperature. International Journal of Self-Propagating HighTemperature Synthesis. 2015, vol. 24, no. 4, pp. 210–214.Sanin V.V., Filonov M.R., Yukhvid V.I., Anikin Y.A. Structural investigation of 70Cu/30Fe based cast alloy obtained by combined use of centrifugal casting-SHS process and forging // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 129. Р. 1 – 4.Sanin V.V., Filonov M. R., Yukhvid V.I. and Anikin Y.A. Structural investigation of 70Cu/30Fe based cast alloy obtained by combined use of centrifugal casting-SHS process and forging. MATEC Web of Conferences. 2017, vol. 129, pp. 1–4.Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1966. – 597 с.Lykov A.V. Teoriya teploprovodnosti [Theory of heat conduction]. Moscow: Vysshaya shkola, 1966, 597 p. (In Russ.).Филонов М.Р., Аникин Ю.А, Левин Ю.Б. Теоретические основы производства аморфных и нанокристаллических сплавов методом сверхбыстрой закалки. – М.: МИСиС, 2006. – 357 с.Filonov M.R., Anikin Yu.A, Levin Yu.B. Teoreticheskie osnovy proizvodstva amorfnykh i nanokristallicheskikh splavov metodom sverkhbystroi zakalki [Theoretical basis for the production of amorphous and nanocrystalline alloys by ultrafast quenching]. Moscow: MISiS, 2006, 327 p. (In Russ.).Швидковский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. – М.: ГИТТЛ, 1955. – 206 с.Shvidkovskii E.G. Nekotorye voprosy vyazkosti rasplavlennykh metallov [Some of the issues of viscosity of molten metals]. Moscow: GITTL, 1955, 206 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.