Анализ диаграммы состояния сплава смеси системы свинец — сурьма

Сплав Рb — Sb относится к сплавам сме­сям (I тип), составляющие которого неограниченно растворяются в жидком виде, а в твердом состоянии нерастворимы и представляют собой механическую смесь кристаллов компонентов, образующих сплав.

Общий вид диаграммы приведен на рис. 3.3. Линия ACB — ликвидус, выше которой находит­ся область жидкого однофазного состояния (Ж). Линия DCE – солидус, ниже которой сплав находится в твердом двухфазном состоянии в виде смеси кристаллов свинца и сурьмы (Рb + Sb).

t,⁰C

В

631⁰

600

Ж

500

400

Ж + Sb

Ж+Pb

А

327⁰

300

С

D

246⁰

Е

200

Э

(Pb+Sb)

Pb+Э

Sb + Э

100

100%Pb 13 20 40 60 80 100%Sb

%Sb

Рис. 3.3. Диаграмма состояния системы свинец — сурьма

При охлаждении сплавов различной концентрации на линии AC из жидкого расплава выделяются кристаллы свинца, а на линии CB – кристаллы сурьмы.

На линии DCE происходит образование эвтектики, т.е. из жидкой фазы состава точки C (13% Sb) одновременно при постоянной температуре выделяются дис­персные кристаллы свинца и сурьмы. Эта линия называется линией эвтектического превращения. На ней в равновесии находятся три фазы: жидкая, кристаллы свинца и сурьмы. Точка C называется эвтектической, а сплав состава этой точки — эвтектическим (Э). Сплавы с содержанием сурь­мы менее 13% называются доэвтектическими (Э+Pb), а бо­лее 13% - заэвектическими (Э+Sb).

Проведение анализа сплава любой заданной концентрации, позволяет выявить закономерности структурообразования в процесс изменения температуры. По диаграмме состояния системы, пользуясь правилами фаз и отрезков, построим кривую охлаждения, например, заэвтектического сплава c концентрацией 45% Sb (рис. 3.4).

а) б)

Рис. 3.4. Построение схемати­ческой кривой охлаждения (б) сплава с

содержанием 45% сурьмы по диаграмме состояния Pb-Sb (а)

При охлаждении от исходной температуры t₀ точки 0 до t₁ точки 1 сплав находится в однофазном жидком состоянии. Определяем число степеней свободы С_0-1 = 2 – 1+1 = 2. Скорость охлаждения сплава максимальна, что характеризуется малым наклоном участка 0-1 кривой охлаждения.

С температуры t₁ начинается кристаллизация сурьмы, которая продолжается до температуры t₂, соответствующей линии эвтектического превращения. Сплав находится в двухфазном состоянии Ж+Sb, число степеней свободы С_1-2 = 1. Скорость охлаждения замедляется, что обусловливает больший наклон участка 1-2 кривой охлаждения. Охлаждение сплава в интервале температур t₁-t₂ приводит к его качественному изменению: в результате выпадения первичных кристаллов сурьмы жидкая фаза обедняется сурьмой и обогащается свинцом. Согласно правилу отрезков состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус от точки 1 при температуре t₁, до точки C при температуре t₂.

Описанный процесс фазовых превращений записывают в виде уравнения металлургической реакции

На линии DCE образование первичных кристаллов сурьмы заканчивается, а из оставшейся жидкости состава точки C (13%) происходит кристаллизация эвтектики Э=(Pb+Sb). Для сплава в точке 2 конодой является линия диаграммы DCE, которая показывает одновременное существование трех фазы: жидкости, кристаллов свинца и сурьмы. Число степеней свободы С₂ = 0, система безвариантна, следовательно образование эвтектики происходит при постоянной температуре. На кривой охлаждения наблюдается горизонтальный участок 2-2^/. Процесс кристаллизация эвтектики описывается уравнением

После кристаллизации сплав состоит из двух структурных составляющих: крупных первичных кристаллов сурьмы и эвтектики, представляющей собой мелкозернистую смесь кристал­лов сурьмы и свинца (рис. 3.5, в). Структурной составляющей называют обособленную часть структуры, имеющую при определенном уве­личении микроскопа однообразное строение.

В доэвтектических сплавах в интервале температур от линии ликвидус до линии солидус из жидкой фазы выпада­ют первичные кристаллы свинца, а жидкость обогащается сурьмой (до 13%) и обедняется свинцом. Доэвтектические сплавы после затвердевания состоят также из двух структурных составля­ющих: крупных кристаллов свинца и эвтектики (рис. 3.5, а).

а) б) в)

Рис. 3.5. Микроструктуры сплавов Pb – Sb (х135, травлено):

а– доэвтектоидного; б – эвтектоидного; в – заэвтектоидного

Сплав эвтектического состава (13%) кристаллизуется при пос­тоянной температуре, без предварительного образования кристаллов сурьмы или свинца. После затвердевания он состо­ит из одной структурной составляющей — эвтектики (рис. 3.5, б).

Сплавы смеси склонны к ликвации по удельному весу, т.е. к неоднородности по химсоставу в разных зонах слитка. Для предотвращения ее сплав перед разливкой интенсивно перемешивают либо вводят в него третий компонент, который образуя химическое соединение, препятствует возникновению ликвации. К таким сплавам относятся баббиты: подшипниковые сплавы системы Sb-Sn-Cu.