Исследование двухфазного состояния расплавов системы Fe – Cu при их охлаждении в вискозиметре

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.

1. 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. P. 2949 – 2953.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Blackstok J.J., Ackland G.J. Phase transitions of copper precipitates in Fe–Cu alloys // Philosophical magazine A. 2001. Vol. 81. P. 2127 – 2148.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Новые композиционные материалы на основе несмешивающихся компонентов: получение, структура, свойства. – М.: МГИУ, 1999. – 206 с.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1966. – 597 с.

19. Филонов М.Р., Аникин Ю.А, Левин Ю.Б. Теоретические основы производства аморфных и нанокристаллических сплавов методом сверхбыстрой закалки. – М.: МИСиС, 2006. – 357 с.

20. Швидковский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. – М.: ГИТТЛ, 1955. – 206 с.