Термодинамическое описание фазовых равновесий в системе Cu–Al–Zr–O в условиях существования металлического расплава

Abstract

Проведено термодинамическое моделирование и экспериментальное изучение фазовых равновесий в системе Cu–Al–Zr–O. Термодинамический анализ фазовых равновесий был выполнен с использованием методики построения поверхности растворимости компонентов в металле (ПРКМ). Анализ проводился для температур 1200 и 1300 °С. По результатам расчета были построены области фазовых равновесий жидкого металлического расплава и сопряженных оксидных фаз в зависимости от концентрации элементов, растворенных в металлическом расплаве. В присутствии циркония и алюминия в расплаве образование оксида меди и соединения CuAlO2 термодинамически маловероятно. Области этих фазовых равновесий смещены по концентрации алюминия 10–13 мас. % и менее, а по концентрации циркония 10–20 мас. % и менее. Также были просчитаны изокислородные сечения. Показано, что цирконий в медном расплаве является более сильным раскислителем, чем алюминий. Таким образом, для системы Cu–Al–Zr–O характерен механизм альтернативного раскисления. В первую очередь взаимодействовать с кислородом будет растворенный в металлическом расплаве цирконий. При снижении его концентрации в расплаве, связанном с образованием оксида циркония, при достаточном содержании растворенного в расплаве кислорода возможно образование и оксида алюминия. Экспериментальные исследования подтверждают результаты термодинамического моделирования. Анализ образовавшихся в металле оксидных включений был выполнен с использованием растрового электронного микроскопа и микрорентгеноспектрального анализа. Результаты исследования могут быть интересны для технологии производства меди и сплавов на ее основе. Thermodynamic modeling and experimental investigation of phase equilibria in the Cu–Al–Zr–O system were carried out. Thermodynamic analysis of phase equilibria was performed using the method of constructing the Surface of Components Solubility in the Metal melt (SCSM). Thermodynamic analysis was made for temperatures of 1200 and 1300 °С. The areas of phase equilibria of liquid metal with conjugated oxide phases were constructed depending on concentrations of elements dissolved in metal melt. Formation of copper oxide and CuAlO2 compound in the presence zirconium and aluminum in liquid metal melt are thermodynamically unlikely. The areas of these phase equilibria are offset to less than 10–13 wt. % Al and to less than 10–20 wt. % Zr. Isooxygen sections have been also calculated. It was shown that zirconium is a stronger reducing agent than aluminum in the copper melt. Thus the alternative deoxidation mechanism is characteristic for the Cu–Al–Zr–O system. Zirconium dissolved in the copper melt will primarily interact with oxygen. Aluminum oxide may be formed at lower zirconium concentration and at sufficient oxygen concentration in copper melt. Zirconium concentration in copper melt will be decreased in connection with formation zirconium oxide. Experimental investigations confirmed thermodynamic modeling results. The analyses of the non-metallic inclusions have been Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Термодинамическое описание фазовых равновесий в системе Самойлова О.В. Cu–Al–Zr–O в условиях существования металлического расплава Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2016. Т. 16, № 3. С. 11–17 17 performed using scanning electron microscope and energy dispersion spectrometer. The research results may be interesting for copper and copper alloys industry.