3. Тройные диаграммы состояния сплавов на основе меди

Медь - алюминий - железо

Система Cu-Al-Fe исследована в области, богатой медью, в пределах до 14% (по массе) алюминия и до 10% (по массе) железа. В указанной области диаграммы состояния обнаружено четыре фазы: α-твердый раствор алюминия и железа в меди, твердый раствор на основе железа, β-твердый раствор на основе Cu₃Al и твердый раствор, богатый алюминием. Температура эвтектоидного превращения β-фазы (565 °С) не изменяется при добавлении железа, а эвтектоидная точка смещается в сторону большего содержания алюминия и соответствует, % (по массе): 12,5% Al и 2% Fe. В области сплавов, богатых алюминием, существуют соединения FeCu₂Al₆, FeCu₂Al₇, FeCu₁₀Al₁₀ и FeCu₁₀Al₁₈. При 800 °C существует только соединение FeCu₂Al₆. На рис. 14 приводится изотермическое сечение Диаграммы состояния системы медь - алюминий - железо [4].

Медь - алюминий - марганец

Поверхность ликвидуса диаграммы состояния системы Cu-Al-Мn приведена на рис. 15 [14]. В системе установлено наличие трех тройных фаз: T₁, T₂ и T₃. Фаза T₁ имеет область гомогенности 16...20% (по массе) Cu, 28...30% (по массе) Мn, 50...60% (по массе) Al, температура плавления 1020 °С. Фаза Т₂ имеет следующий состав, % (по массе): Cu 49, Мn 14, Al 37; фаза Т₃ содержит, % (по массе): Cu 58, Мn 32,5, Al 9,5. Твердый раствор на основе меди (γ) находится при комнатной температуре в равновесии с фазами Г, T₃, α-Мn + β-Mn.

Рис. 14. Изотермическое сечение диаграммы состояния системы медь - алюминий - железо при 1000 (а) и 700 °С (б)

В медном углу диаграммы состояния [до 14% (по массе) Al и 15% (по массе) Мn] существуют следующие фазы: α-твердый раствор алюминия и марганца в меди [4]; β-твердый раствор на основе β-фазы системы Cu-Al, γ-твердый раствор на основе у-фазы системы Cu-Мn. В этой области диаграммы состояния существование соединений не подтвердилось. В системе установлено существование 15 четырехфазных равновесий, которые приведены в табл. 4, там же указан состав критических точек протекающих реакций.

Рис. 15. Проекции поверхностей ликвидуса диаграммы состояния системы медь - алюминий - марганец

Таблица 4. Реакции, протекающие в системе медь - алюминий - марганец

Медь - алюминий - никель

В системе Cu-Al-Ni в области, богатой медью [до 20% (по массе) Al и 32% (по массе) Ni], присутствуют фазы двойных систем. Существует одна тройная фаза τ (Cu₃ NiAl₆). Фаза β устойчива лишь при высоких температурах и распадается при 585°С. Растворимость алюминия и никеля в меди сильно изменяется от температуры. Добавка никеля к сплавам Cu-Al приводит к повышению температуры эвтектоидного превращения с 565 до 605°С. Затвердевание сплавов тройной системы Cu-Ni-Al сопровождается первичным выделением кристаллов NiAl, содержащих медь, изоморфных при высокой температуре фазе β(Cu₃Al). Соединения Cu₃Al и NiAl образуют квазибинарный разрез, который представляет собой непрерывные ряды твердых растворов. На рис. 16 приведены изотермические сечения диаграммы при 1000 и 400 °С [4].

Рис. 16. Изотермическое сечение диаграммы состояния системы медь - алюминий - никель при 1000 (а) и 400 °С(б)

Медь - алюминий - цинк

Эта диаграмма состояния построена во всем интервале концентраций и изучалась многими исследователями. На рис. 17 приведена проекция поверхности ликвидуса сплавов этой системы по данным [17]. На рис. 17 показаны следующие фазы: α-Cu-твердый раствор на основе меди; β-твердый раствор на основе меди; β-твердый раствор на основе β-фаз Cu-Zn и Cu-Al; γ-твердый раствор на основе γ-фаз Cu-Zn и Cu-Al; ε-твердый раствор на основе ε-фазы Cu-Zn; Zn-твердый раствор на основе цинка, T-твердый раствор на основе тройного соединения Cu₁₀Al₆Zn; η-твердый раствор на основе CuAl, Θ-твердый раствор на основе CuAl₂, α-Al-твердый раствор на основе алюминия, δ-, ζ-твердые растворы на основе δ-фазы Cu-Zn и Cu₄Al₃. Обнаруженное в системе тройное соединение Cu₁₀Al₆Zn(T) существует в двух модификациях. Соединение Т с ОЦК решеткой существует в сплавах с содержанием до 20% (по массе) Al, в сплавах с большим содержанием алюминия существует модификация Т′ с псевдокубической решеткой [4].

Рис. 17. Проекции йоверхностей ликвидуса диаграммы состояния системы медь - алюминий - цинк

Фазовые равновесия в системе приведены в табл. 5.

Таблица 5. Четрехфазные равновесия в системе Cu - Al - Zn

Превращения в твердом состоянии имеют сложный характер и не всегда однозначно трактуются различными исследователями. На рис. 18 показано изотермическое сечение системы при 350°С, хорошо согласующееся с фазовыми равновесиями при этой температуре [4].

Рис. 18. Изотермическое сечение диаграммы состояния системы медь - алюминий - цинк при 350 °С

Медь - бериллий - никель

Диаграмма состояния системы Cu-Be-Ni изучена в области, богатой медью: до 4% (по массе) Be и 7% (по массе) Ni. Построены изотермические сечения при температурах 1015, 980, 915, 870, 820, 700 и 500 °С и изотермы солидуса, которые проходят параллельно квазибинарному сечению Cu-NiBe. На рис. 19 приведено изотермическое сечение этой системы при 820°С. В системе установлены следующие фазы: λ-твердый раствор на основе меди, β-твердый раствор на основе соединений CuВе и NiBe. Никель резко снижает растворимость бериллия в меди. Предельная растворимость NiBe в твердой меди при эвтектической температуре достигает 0,42% (по массе) Be, 2,83% (по массе) Ni; при понижении температуры до 500°С растворимость NiBe в меди уменьшается более чем в пять раз. Состав эвтектики близок к сплаву 4,6% (по массе) NiBe [1,0% (по массе) Be, 6,6% (по массе) Ni].

Рис. 19. Изотермическое сечение диаграммы состояния системы медь - бериллий - никель при 820 °С

Медь - марганец - никель

При высоких температурах медь, марганец и никель образуют почти непрерывный ряд твердых растворов с ГЦК решеткой, который заканчивается вблизи марганцевого угла и отделен от твердого раствора меди и никеля в γ-Mn узкой двухфазной областью. При 1000°С двухфазная область, разделяющая однофазные области твердых растворов, проходит при 13... 18 % (по массе) Mn. Твердый раствор меди, марганца и никеля с ГЦК решеткой при низких температурах распадается с образованием фазы MnNi - упорядоченный твердый раствор с гранецентрированной тетрагональной решеткой. На рис. 20 показано изотермическое сечение диаграммы состояния сплавов системы Cu-Mn-Ni при 450°С.

Рис. 20. Изотермическое сечение диаграммы состояния сплавов системы медь - марганец - никель при 450 °С

Медь - кремний - марганец

Сплавы этой системы изучались в основном в области, богатой медью. В равновесии с твердым раствором на основе меди и в твердом состоянии находятся лишь фазы двойной системы Cu-Si или Si-Мn. В равновесии с медным твердым раствором при повышенных температурах и высоких концентрациях марганца находятся фазы на основе α-, β- и δ - модификаций марганца. В структуре сплавов, богатых медью, наряду с медным твердым раствором присутствует γ-фаза системы Cu-Si. Имеются данные о существовании в равновесии с твердым раствором на основе меди фазы системы Cu-Si и Mn₂Si при 450...550°С, фазы χ′ системы Cu-Si и Mn₂Si при 650-800°С, а также фаз Mn₂Si, Mn₅Si₃, MnSi и MnSi₃ (системы Si-Mn).

В системе имеются квазибинарные разрезы Cu₃Si-MnSi, Cu-Mn₅Si₃, Cu-MnSi. Для системы Cu-Si-Mn характерна значительная область твердого раствора на основе меди, сужающаяся при понижении температуры. На рис. 21 представлены границы области твердого раствора при различных температурах. При 900°С в равновесии с твердым раствором на основе меди находится жидкая фаза [4].

Рис. 21. Границы области твердого раствора на основе меди системы медь - кремний - марганец при температурах, °С: 1 - 900; 2 - 800; 3 - 700; 4 - 600; 5 - 500; 6 - 400

Медь - кремний - цинк

При исследовании сплавов этой системы отмечается сложный характер фазового состава сплавов и протекающих реакций в твердом состоянии. В медном углу диаграммы состояния имеется значительная область твердого раствора, границы которого изменяются в зависимости от температуры. В работе [19] рассмотрена растворимость кремния и цинка в меди при различных температурах. Результаты этой работы представлены в виде изотермических сечений диаграммы при различных температурах на рис. 22.

Добавление кремния в сплавы Cu-Zn не изменяет температуры эвтектоидной реакции δ↔γ + ε. При 625°С происходит реакция к + β ↔ α + γ. При понижении температуры до комнатной происходит превращение β ↔ α + γ. При температуре 510°С происходит реакция, в которой участвуют фазы γ′ и ε′. При добавлении цинка в систему Cu-Si температура перитектоидного превращения α + β ↔ к понижается от 842 до 625°С, а эвтектоидного - от 784 до 625°С. Температура же распада β-фазы понижается до 530°С, при добавлении 12% (ат.) Zn. Твердый раствор на основе соединения Cu₃Si претерпевает ряд полиморфных превращений в тройной системе.

Рис. 22. Изотермические сечения диаграммы состояния системы медь - кремний - цинк при температурах, °С: а - 847; б - 760; в - 600; г - 482

Медь - никель - олово

Диаграмма состояния этой системы построена в области, богатой медью, и представлена на рис. 23, а [4]. Как видно из диаграммы, в системе медь - никель - олово после отжига при 700°С в равновесии с твердым раствором Cu-Ni находятся фазы β и γ из двойной системы Cu-Sn. Трехфазная область α+β+γ является очень узкой. Проекция поверхности ликвидуса медного угла диаграммы приведена на рис. 23, б.

Рис. 23. Изотермическое сечение диаграммы состояния системы медь - никель - олово при 700 °С (а) и проекции поверхностей ликвидуса медного угла диаграммы (б)

Медь - никель - свинец

Диаграмма состояния системы медь - никель - свинец была исследована со стороны медь - свинец. Построена проекция поверхностей кристаллизации, которая показана на рис. 24. Здесь же приведены изотермы ликвидуса. В системе Cu-Рb существует широкая область несмешиваемости в жидком состоянии. В тройных сплавах область расслаивания в жидком состоянии значительно сокращается и в присутствии ∼2% (по массе) Ni исчезает.

Рис. 24. Проекция поверхностей кристаллизации и изотермы ликвидуса диаграммы состояния системы медь - никель - свинец

Медь - никель - сурьма

Диаграмма состояния изучена многими авторами довольно подробно. Обнаружено, что α- и β-фазы системы Ni-Sb образуют непрерывные твердые растворы с α- и β-фазами системы Cu-Sb. В тройной системе Cu-Ni-Sb не обнаружено промежуточных тройных соединений. При первичной кристаллизации образуется ряд фаз α, β, γ_n, γ_с, ζ и ε. Протекают следующие реакции: при 584°С и содержании, % (по массе): Cu 42,5; Sb 52,5; Ni 5 - реакция

при 620 °С и содержании, % (по массе): Cu 0,1; Sb 97,9; Ni 2-реакция

при 521° С и содержании, % (по массе): Cu 21,5; Sb 77; Ni 1,5 -реакция

В твердом состоянии в равновесии находятся фазы: α, β, γ_n, γ_с, δ_n, δ_с, Θ_n, Θ_с и η. Обнаружены 22 моновариантные реакции, из которых 15 эвтектоидных и 7 перитектоидных [4].

Медь - никель - фосфор

Диаграмма состояния была исследована в области, богатой медью. На рис. 25 приведены два сечения при постоянном содержании никеля 0,5 и 2 % (по массе). Фаза 2 nd является твердым раствором на основе Cu₃Р, существующей в двойных сплавах Cu-Р. На рис. 26 приведены изотермы солидуса и границы растворимости фосфора в твердом растворе на основе Cu-Ni при температурах 500, 600, 700 и 800° С [4].

Рис. 25. Политермические сечения диаграммы состояния системы медь - никель - фосфор при 05 (а) и 2% (по массе) Ni (б)

Рис. 26. Изотермы солидуса (а) и растворимости (б) в системе медь - никель - фосфор

Медь - олово - свинец

В системе Cu-Sn-Pb имеется широкая область несмешиваемости в жидком состоянии. Приведенная на рис. 27 система показывает уменьшение области несмешиваемости при повышении температуры. Критическая точка, отвечающая высокой температуре "купола" несмешиваемости (1130... 1140° С), имеет состав, % (по массе): Cu 35; Рb 50; Sn 15 [4].

Рис. 27. Диаграмма состояния сплавов системы медь - олово - свинец

Медь - олово - цинк

Представлены области диаграммы, богатые медью. На рис. 28, а показаны области первичной кристализации твердого раствора на основе меди (а) и твердого раствора на основе β-фаз двойных систем Cu-Sn и Cu-Zn. В этой части системы сплавы в процессе кристаллизации не претерпевают превращений. При температуре 500° С в равновесии с твердым раствором на основе меди находится γ(Cu-Sn) и β(Cu-Zn). Пунктиром приведено положение границы α/α + γ при 300 °С [4] (рис. 28, б).

Рис. 28. Проекции поверхностей ликвидуса (а) и изотермическое сечение при 500 °С (б) диаграммы состояния системы медь - олово - цинк

Медь - олово - фосфор

Диаграмма состояния изучена в области концентраций, богатых медью. На рис. 29, а приведены изотермы ликвидуса, дана диаграмма плавкости. В изученной области диаграммы установлено превращение перитектического типа (точка 0) при 637 °С: Ж + α-Cu↔β + Cu₃P, где β - фаза двойной системы Cu-Sn. На рис. 29, б приведены изотермическое сечение системы при 300 °С. Фазы α, δ (Cu₄Sn) и ε (Cu₃Sn) являются фазами двойной системы Cu-Sn с увеличивающимся содержанием олова [4].

Рис. 29. Изотермы ликвидуса сплавов системы медь - олово - фосфор (а) и сечение диаграммы при 300 °С (б)

Медь - свинец - цинк

Диаграмма состояния построена почти полностью. Диаграмма состояния системы Cu-Pb-Zn характеризуется наличием широкой области несмешиваемости в жидком состоянии, а также отсутствием тройных соединений. На рис. 30 представлена диаграмма первичной кристаллизации сплавов системы. В табл. 6 даны сведения о превращениях в системе.

Рис. 30. Проекция поверхности кристаллизации сплавов системы медь - свинец - цинк

Таблица 6. Превращения в системе медь - свинец - цинк