Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

СИСТЕМЫ AU-CU-IN И AG-AU-IN: ЭКСПЕРИМЕНТ, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЛАВОВ

Павленко А.С. 1 Бурнацева А.А. 1 Гаева А.А. 1 Кабанов С.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Северо-Осетинский государственный университет им. Коста Хетагурова»
В настоящее время наблюдается тенденция увеличения спроса на сплавы на основе благородных металлов, что делает изучение металлических систем с их участием более актуальным. Использование метода термодинамического расчета при изучении таких систем особенно востребовано, так как позволяет сэкономить дорогостоящие материалы и время. Сплавы на основе благородных металлов имеют особую популярность в стоматологии, поскольку в отличие от неблагородных сплавов они не токсичны, обладают высокой коррозионной стойкостью в условиях полости рта человека и не оказывают сенсибилизирующего действия. Для достижения необходимых технологических характеристик золота и серебра их легируют неблагородными металлами. В данном случае используются медь, повышающая прочность сплавов, и индий, снижающий температуру плавления и улучшающий характеристики литья
системы au-cu-in и ag-au-in
сплавы
метод термодинамического расчета
1. Кабанов С.В., Павленко А.С. Взаимодействие сплавов золото-медь с индием // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 3–3. – С. 456–456
2. Кабанов С.В., Павленко А.С. Перспективы использования сплавов золота, меди и индия // Актуальные проблемы химии, биологии и биотехнологии материалы X всероссийская научная конференция. – 2016. – С. 228–230.
3. Okamoto H. // Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 1987, V.8 N.5, pp. 454–473.
4. Okamoto H. // J. of Phase Equilibria, 1994, V. 15 N. 2, pp. 226–227.
5. Okamoto H. // J. of Phase Equilibria, 2004, V. 5, pp. 197–198.
6. Cookie C.J., Hume-Rothery W. // Acta Metall, 1961, V. 9, pp. 982.
7. Campbell A.N., Wagemann R.H. // Canad. J. Chem, 1970, V. 48, N 5, pp. 1703–1715.
8. Jacob K.T., Alcock C.B. Activity of indium in α-solid solutions of Cu+In, Au+In and Cu+Au+In, Acta Metallurgica, vol. 21, pp. 1011–1016 (1973).
9. Alcock C.B., Jacob K.T. Solute-solute and solvent-solute interactions, Acta Metallurgica, vol. 22, pp. 539–544 (1974).
10. Alcock C.B. Measurents, Models, and Mathematics of Alloy Systems, Journal of Phase Equilibria, Vol. 15 No. 3 pp. 295–302 (1994).
11. Alcock C.B., Richardson F.D. Acta Met. 6, 385 (1958).

Сплавы на основе благородных металлов имеют особую популярность в стоматологии, поскольку в отличие от неблагородных сплавов они не токсичны, обладают высокой коррозионной стойкостью в условиях полости рта человека и не оказывают сенсибилизирующего действия. Для достижения необходимых технологических характеристик золотаи серебра их легируют неблагородными металлами. В данном случае используются медь, повышающая прочность сплавов, и индий, снижающий температуру плавления и улучшающий характеристики литья [1,2].

Уже достаточно давно хорошо изучены двойные системы трехкомпонентных сплавов золота, меди и индия Au-Cu-In и Ag-Au-In [3–7].

Сплавы для исследования выплавлялись из металлов высокой степени чистоты:

• золото – гранулы (99,92 %);

• серебро – гранулы (99,95 %);

• медь – проволока (99,9 %);

• индий полупроводниковой чистоты (99,999 %).

Образцы готовили в дуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом в атмосфере аргона на охлаждаемом поддоне. Полученные образцы отжигали в печах сопротивления при 500 оС в вакуумированных кварцевых ампулах в течение 1200 ч. Сплавы закаляли в холодной воде.

Исследование отожженных образцов проводили с помощью методов физико-химического анализа: рентгенофазового, микрорентгеноспектрального и электронной микроскопии.

Количественное содержание элементов в фазах и микроструктуру образцов исследовали на приборе «LEO EVO 50 XVP», снабженным энергодисперсионным анализатором «Inca Energy 450 (Oxford instruments)» при 15 кВ. Рентгенофазовый анализ (РФА) проводили методом порошка на дифрактометре «ДРОН-4» с использованием CuKα1–излучения.

Система Ag–Au–In при 500 °C характеризуется наличием области непрерывного твердого раствора с ГЦК структурой на основе золота и серебра, растворимость индия в котором закономерно увеличивается при увеличении содержания серебра. ς -Фазы двойных систем тоже образуют непрерывный твердый раствор. Растворимость серебра в α1–фазе, согласно результатам исследований составляет не менее 15 ат. %.

Система Au-Cu-In при 500°C имеет область гомогенности непрерывного твердого раствора на основе ГЦК-компонентов, растворимость индия в котором растет и достигает 15 ат. %, что выше, чем в двойных граничных системах. Растворимость меди в гексагональных фазах системы Au-In различна: в ς-фазе она составляет 13 ат. %, а в α1–фазе на привышает и 2 ат. %. Растворимость золота в фазах двойной системы Cu-In также различна: в ς-фазе – 9 ат. %, а в η′-фазе – 31 ат. %. Фаза γ, которая устойчива в системе Au-In существует при более низкой температуре, а в системе Cu-In при более высокой, имеет протяженную область гомогенности на изотермическом сечении.

В дополнение к эксперименту нами было проведено термодинамическое моделирование тройных систем методом CALPHAD.

«CALPHAD-метод» (CALculationofPHAseDiagrams) – это метод полуэмпирического моделирования фазовых равновесий. Согласно этому методу для каждой фазы проводится построение описания зависимости ее термодинамических свойств (к примеру, энергии Гиббса) от давления, температуры, состава, и других внешних параметров. После этого происходит расчет фазовых равновесий с использованием полученных описаний.

Для моделирования мы использовали описания двойных граничных систем из литературы, которые в дальнейшем экстраполировали на трехкомпонентную систему.

При моделировании системы Ag–Au–In нами была протестирована модель Муггиану, поскольку она является наиболее распространенной в практике расчетов многокомпонентных систем. Была сделана попытка рассчитать с использованием этой модели равновесия с участием расплава, ς- и ГЦК-фаз. Фаза α1 на этом этапе была исключена из рассмотрения, т.к. ее область гомогенности невелика. Выполненный расчет показал, что экстраполяция литературных описаний расплава, ГЦК и ς-фаз методом Муггиану дает неудовлетворительный результат (рис. 1). В частности, вместо единой области гексагональной ς-фазы на рассчитанной диаграмме возникают две несвязанные области. Варьирование единственного неизвестного параметра L(hcp, Ag, Au;0) в гексагональной фазе ς не позволяет улучшить результат.

pav1.tiff

Рис. 1

В литературе [8, 9, 10] отмечалось, что для систем типа M1–M2–X (M1 и M2 – переходные или благородные металлы, принадлежащие к одной и той же группе периодической системы, X – неметалл или непереходный металл) термодинамические свойства разбавленных по X растворов количественно предсказываются с помощью модели [11], практически идентичной экстраполяционной формуле Тупа. Поэтому на следующем этапе был испытан этот вариант предсказания.

Расчеты по этому методу были выполнены с учетом всех трех неупорядоченных фаз: fcc, ς и α1. Результаты представлены на рис. 2.

pav2.tiff

Рис. 2

Особенность системы Au-Cu-In заключается в том, что в граничных двойных системах Au-In и Cu–In устойчивы фазы с различной кристаллической структурой: в первой – гексагональные α1 (типа Nd) и ς (типа Mg), а во второй – орторомбическая δ типа Cu7In3 и гексагональная η′ типа Ni2In. Одинаковую структуру в обеих граничных системах, помимо ГЦК-твердого раствора, имеют только фазы со структурой γ-латуни.

Поэтому для построения полного термодинамического описания этой системы необходимо определить значения большого числа параметров: энергий Гиббса виртуальных фаз δ и η′ в системе Au-In, а также фаз α1 и ς в системе Cu-In. Кроме того, так как растворимости третьих компонентов в твердых растворах значительны, необходим учет параметров взаимодействия компонентов. Оценка такого большого числа параметров с использованием только данных по фазовым равновесиям невозможна и требует привлечения дополнительных данных, например, неэмпирических расчетов.

В связи с этим было принято решение ограничиться ориентировочным расчетом, в котором были учтены только ГЦК-твердый раствор и граничащие с ним фазы ς и γ-латунь. Корректное описание этих фаз позволяет воспроизвести основные черты фазовых равновесий в этой системе.

Поскольку модель Тупа в системе Ag–Au–In показала хороший результат, было решено использовать ее для описания ГЦК-твердого раствора и ς-фазы и в системе Au–Cu–In. Результаты расчета фазовых равновесий представлены на рис. 3.

pav3.tiff

Рис. 3


Библиографическая ссылка

Павленко А.С., Бурнацева А.А., Гаева А.А., Кабанов С.В. СИСТЕМЫ AU-CU-IN И AG-AU-IN: ЭКСПЕРИМЕНТ, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЛАВОВ // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 4-10. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=17782 (дата обращения: 24.06.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674