ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В ЖИДКОМ МЕТАЛЛЕ СИСТЕМЫ Cu–Al–Cr–O

Проведен термодинамический анализ фазовых равновесий, реализующихся в системе Cu–Al–Cr–O. Выполнено термодинамическое моделирование поверхности ликвидус оксидной фазовой диаграммы Cu2O–Al2O3–Cr2O3. Для описания активностей оксидного расплава использовалось приближение теории субрегулярных ионных растворов, энергетические параметры которой были определены в процессе моделирования. В ходе расчета также оценены характеристики плавления соединения CuCrO2. По результатам выполненного расчета установлены координаты точек нонвариантных равновесий, реализующихся в трехкомпонентной оксидной системе Cu2O–Al2O3–Cr2O3. Также проведено термодинамическое моделирование процессов взаимодействия в системе Cu–Al–Cr–O в условиях существования металлического расплава на основе меди. Определена температурная зависимость для константы равновесия реакции, характеризующей образование твердого соединения CuCrO2 из компонентов металлического расплава системы Cu–Al–Cr–O. Получена температурная зависимость для параметра взаимодействия первого порядка (по Вагнеру) хрома и кислорода, растворенных в жидкой меди. Результаты термодинамического моделирования для системы Cu–Al–Cr–O представлены в виде поверхности растворимости компонентов в металле, которая позволяет связать количественные изменения в концентрации металлического расплава с качественными изменениями в составе образующихся продуктов взаимодействия. По результатам проведенного моделирования определено, что при значимых концентрациях алюминия и хрома в медном расплаве системы Cu–Al–Cr–O будут образовываться частицы твердого раствора |Al2O3, Cr2O3|тв.р в качестве основного продукта взаимодействия. Результаты работы могут быть интересны для совершенствования технологического процесса выплавки хромовых бронз.

термодинамическое моделирование, система Cu2O–Al2O3–Cr2O3, система Cu–Al–Cr–O, производство хромовых бронз

1. Осинцев О.Е., Федоров В.Н. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справ. М.: Машиностроение, 2004.

2. Barmak K., Cabral Jr.C., Rodbell K.P., Harper J.M.E. On the use of alloying elements for Cu interconnect applications // J. Vac. Sci. Technol. B. 2006. No. 24. P. 2485— 2498. DOI: 10.1116/1.2357744.

3. Watanabe Ch., Monzen R., Tazaki K. Mechanical properties of Cu—Cr system alloys with and without Zr and Ag // J. Mater. Sci. 2008. No. 43 (3). P. 813—819. DOI: 10.1007/ s10853-007-2159-8.

4. Islamgaliev R.K., Nesterov K.M., Bourgon J., Champion Y., Valiev R.Z. Nanostructured Cu—Cr alloy with high strength and electrical conductivity // J. Appl. Phys. 2014. No. 115. P. 194301—194301-4. DOI: 10.1063/ 1.4874655.

5. Мысик Р.К., Брусницын С.В., Сулицин А.В., Ивкин М.О., Карпинский А.В. Особенности производства литых заготовок из медных сплавов // Вестн. ЮУрГУ. Сер. Металлургия. 2014. No. 2. С. 26—34.

6. Dammschröder A., Maurell-Lopez S., Friedrich B. Development of process slags for Cu—Cr-recycling processes // Proc. EMC 2009 (Pennsylvania, June 2009). P. 1—16.

7. Куликов И.С. Раскисление металлов. М.: Металлургия, 1975.

8. Михайлов Г.Г., Леонович Б.И., Кузнецов Ю.С. Термодинамика металлургических процессов и систем. М.: Изд. дом МИСиС, 2009.

9. Михайлов Г.Г., Трофимов Е.А., Сидоренко А.Ю. Фазовые равновесия в многокомпонентных системах с жидкими цветными металлами. М.: Изд. дом МИСиС, 2014.

10. Decterov S.A., Jung I.-H., Jak E., Kang Y.-B., Hayes P., Pelton A.D. Thermodynamic modeling of the Al2O3— CaO—CoO—CrO—Cr2O3—FeO—Fe2O3—MgO— MnO—NiO—SiO2—S system and applications in ferrous process metallurgy // VII Intern. Conf. Molten Slags Fluxes & Salts (Johannesburg, Jan. 2004). P. 839—850.

11. Yang Sh., Li J., Zhang L., Peaslee K., Wang Z. Evolution of MgO•Al2O3 based inclusions in alloy steel during the refining process // Metall. Min. Ind. 2010. No. 2 (2). P. 87—92.

12. Самойлова О.В., Макровец Л.А., Михайлов Г.Г., Трофимов Е.А. Термодинамический анализ системы Cu— Si—Ni—O // Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2012. No. 3. С. 12—16.

13. Самойлова О.В., Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Трофимов Е.А., Сидоренко А.Ю. Термодинамическое моделирование поверхности ликвидус диаграммы состояния системы Cu2O—Al2O3—ZrO2 // Вестн. ЮУрГУ. Сер. Металлургия. 2015. No. 4. С. 15—21. DOI: 10.14529/met150402.

14. Химическая энциклопедия. В 5 т. Т. 2 / Под ред. И.Л. Кнунянца. М.: Сов. энциклопедия, 1990.

15. Kubaschewski O., Alcock C.B. Metallurgical thermochemistry. Oxford: Pergamon Press Ltd Publ., 1979.

16. Физико-химические свойства окислов: Справ. / Под ред. Г.В. Самсонова. М.: Металлургия, 1969.

17. Misra S.K., Chaklader A.C.D. The system copper oxide—alumina // J. Amer. Cer. Soc. 1963. No. 46 (10). P. 509.

18. Amrute A.P., Lodziana Z., Mondelli C., Krumeich F., PerezRamirez J. Solid-state chemistry of cuprous delafossites: synthesis and stability aspects // Chem. Mater. 2013. No. 25. P. 4423—4435. DOI: 10.1021/cm402902m.

19. Mudenda S., Kale G.M., Hara Y.R.S. Rapid synthesis and electrical transition in p-type delafossite CuAlO2 // J. Mater. Chem. C. 2014. No. 2. P. 9233—9239. DOI: 10.1039/c4tc01349b.

20. Gadalla A.M.M., White J. The system CuO—Cu2O—Cr2O3 and its bearing on the performance of basic refractories in copper-melting furnaces // Trans. Brit. Ceram. Soc. 1964. No. 63 (10). P. 535—552.

21. Устьянцев В.М., Марьевич В.П., Перепелицын В.А. Образование хромита меди в хромомагнезитовых огнеупорах при службе в медеплавильных агрегатах // Огнеупоры. 1971. No. 10. С. 28—32.

22. Vlach K.C., You Y.-Z., Chang Y.A. A thermodynamic study of the Cu—Cr—O system by the EMF method // Thermochim. Acta. 1986. No. 103 (2). P. 361—370. DOI: 10.1016/0040-6031(86)85173-5.

23. Poienar M., Hardy V., Kundys B., Singh K., Maignan A., Damay F., Martin Ch. Revisiting the properties of delafossite CuCrO2: a single crystal study // J. Solid State Chem. 2012. No. 185. P. 56—61. DOI: 10.1016/j.jssc. 2011.10.047.

24. Slag atlas. 2-nd ed. Düsseldorf: Verlag Stahleisen, 1995.

25. Самойлова О.В., Михайлов Г.Г., Трофимов Е.А., Макровец Л.А. Термодинамическое моделирование и экспериментальное изучение возможности получения упрочненных сплавов системы Cu—Zr—O // Металлы. 2016. No. 5. С. 98—104.

26. Михайлов Г.Г., Макровец Л.А., Самойлова О.В. Термодинамическое описание фазовых равновесий в системе Cu—Al—Zr—O в условиях существования металлического расплава // Вестн. ЮУрГУ. Сер. Металлургия. 2016. No. 3. С. 11—17. DOI: 10.14529/ met160302.

27. Линчевский Б.В. Термодинамика и кинетика взаимодействия газов с жидкими металлами. М.: Металлургия, 1986.

28. Tanahashi M., Furuta N., Taniguchi T., Yamauchi Ch., Fujisawa T. Standard Gibbs free energy of formation of MnO-saturated MnO•Cr2O3 solid solution at 1873 K // ISIJ Intern. 2003. No. 43 (1). P. 7—13. DOI: 10.2355/ isijinternational.43.7.

29. Ponweiser N., Lengauer Ch.L., Richter K.W. Reinvestigation of phase equilibria in the system Al—Cu and structural analysis of the high-temperature phase η1–Al1–δCu // Intermetallics. 2011. No. 19. P. 1737— 1746. DOI: 10.1016/j.intermet.2011.07.007.

30. Chakrabarti D.J., Laughlin D.E. The Cr—Cu (chromium— copper) system // Bull. Alloy Phase Diagr. 1984. No. 5 (1). P. 59—68.

31. Clavaguera-Mora M.T., Touron J.L., Rodríguez-Viejo J., Clavaguera N. Thermodynamic description of the Cu—O system // J. Alloys Compd. 2004. No. 377. P. 8—16. DOI: 10.1016/j.jallcom.2004.01.031.