» » Диаграмма состояния системы железо-цинк
11.12.2014

Изучением бинарной системы железо — цинк занимались многие исследователи.
Представленная на рис. 4 диаграмма состояния системы железо — цинк предложена Рейнором и, по его мнению, является «наиболее вероятной компилятивной диаграммой, основанной на результатах надеждных работ последнего времени».
Из рассмотрения диаграммы видно, что в системе железо — цинк имеются следующие фазы: α, γ, Г, δ1, δ, ξ, η.
При малых концентрациях цинка существует область α-фазы (твердый раствор цинка в α-железе). При низких температурах (~ 250° С) растворимость цинка в α-фазе составляет 4,5% (по массе).
С повышением температуры растворимость цинка в α-фазе возрастает и при 623°С достигает около 20% (по массе). Фаза α имеет кубическую объемноцентрированную решетку с двумя атомами в элементарной ячейке и параметром а = 0,2862/0,29143 нм (2,862/2,9143 А).
Влияние растворенного цинка на изменение параметра решетки α-фазы изучал Шрамм. Микротвердость (Hμ) этой фазы составляет около 1500 Мн/м2 (150 кГ/мм2).
Диаграмма состояния системы железо-цинк

При 910° С α-фаза переходит в γ-твердый раствор, имеющий кубическую гранецентрированную решетку. Растворимость цинка в γ-фазе при 782° С достигает 46% (по массе). С понижением температуры растворимость цинка в γ-фазе понижается и при температуре эвтектоидного превращения (623° С) достигает 27,5% (по массе).
В результате эвтектоидного превращения γ-фаза распадается с образованием механической смеси α+Г.
Характерная картина структуры из области γ+Г представлена на рис. 5. Светлые участки — это γ-твердый раствор, темные — протравленная Г-фаза.
Г-фаза представляет собой интерметаллическое соединение, которому раньше приписывали стехиометрический состав, отвечающий формуле FeZn3.
Однако другие исследователи считают, что Г-фаза соответствует соединению Fe3Zn10 или Fe5Zn21. Плотность Г-фазы 7,36, микротвердость Hμ = 5047/4390 Мн/м2 (515—550 кГ/мм2). Эта фаза наиболее твердая в системе Fe—Zn и, вероятно, наиболее хрупкая. Фаза Г имеет кубическую объемноцентрированную решетку с 52 атомами в элементарной ячейке.
Параметр решетки Г-фазы меняется линейно от а = 0,89590 нм (8,9590 А) при 27,76% (по массе) Fe до а = 0,89857 нм (8,9857 А) при 22,96% (по массе) Fe. Согласно результатам измерения параметров решетки, область гомогенности этой фазы лежит в интервале концентраций цинка 72—79% (по массе).
Таким образом, исследования Шрамма показали, что сплав, соответствующий формуле Fe5Zn21 (с 16,8% Fe), лежит не в области гомогенности Г-фазы, а в значительной степени в гетерогенной области Г + δ1.
С повышением концентрации цинка в системе Fe—Zn наблюдается δ1-фаза, область гомогенности которой лежит в интервале концентраций между 88,5—93,0% (по массе) Zn.
Эта фаза имеет гексагональную решетку с 550±8 атомами в элементарной ячейке и параметрами а = 1,280+0,001 нм (12,80±0,01 А), с = 5,760 нм (57,60 А). Стехиометрический состав δ1-фазы отвечает формуле FeZn7 (10,9% Fe). Плотность δ1-фазы 7,24—7,25, микротвердость Hμ =4449/4615 Мн/м2 (454/471 кГ/мм2).
На рис. 6,а показаны δ1-кристаллы очень часто встречающейся формы — в виде более или менее правильных шестиугольников. Однако также часто можно наблюдать и ромбовидные четырехугольники, которые иногда даже выстраиваются в ряды.
На рис. 6,6 отчетливо видны светлые с большим числом полос на поверхности кристаллы δ1-фазы.
Авторы работы, исследуя сплавы, находящиеся в равновесии при 250—300° С, не смогли обнаружить δ1-фазу, что наталкивает на предположение о нестабильности δ1-фазы при температурах ниже 300° С.
При температурах приблизительно между 620 и 640°С δ1-фаза претерпевает превращение δ1⇔δ. Точное положение границ этой фазы и температурного интервала ее существования окончательно не установлено. Ей приписывают ту же формулу, что и δ1-фазе FeZn7, с содержанием железа от 7 до 10% (по массе).
Следующая ζ-фаза была открыта Шраммом в 1937 г. в результате исследования системы рентгеновским, микроскопическим, термическим и магнитным методами. Она существует в узком интервале концентраций между 93,8—94% Zn, стехиометрический состав ее отвечает формуле FeZn13. Указанная фаза кристаллизуется в моноклинной решетке с 28 атомами в элементарной ячейке и параметрами а = 1,365 нм (13,65А); b = 0,761 нм (7,61 А); с = 0,506 нм (5,06А); β = 128°44'. Плотность ее 7,8, микротвердость Hμ = 2649 Мн/м2 (270 кГ/мм2). Однако, несмотря на сравнительно низкую твердость, ζ-фаза очень хрупкая, что, по-видимому, объясняется ее строением.
На рис. 6, в представлена в виде хорошо распознаваемых двойников окрашенная в темный цвет ζ-фаза.
Наконец, при высоких концентрациях цинка на диаграмме Fe—Zn находится область η-фазы (почти чистый цинк). Она представляет собой твердый раствор железа в цинке. Максимальная растворимость железа в цинке равна 0,008% (по массе), но с повышением температуры до 400° С она возрастает до 0,028% (по массе).
Фаза η имеет гексагональную плотноупакованную решетку с двумя атомами в элементарной ячейке и параметрами а = 0,2660 нм (2,6600 А), с = 0,49379 А нм (4,9379А), с/а = 1,8563, η-фаза достаточно пластична. Микротвердость ее Hμ~363 Мн/м2 (37 кГ/мм2).
Рассмотрим основные превращения, наблюдаемые в бинарной системе железо — цинк. На диаграмме видны нонвариантные превращения, которые происходят при постоянных температурах.
В области высоких концентраций цинка, т. е. 100— 99,9% (по массе), при 419,4° С идет эвтектическая кристаллизация жидкости с образованием механической смеси ζ+η. Эвтектическая температура всего на 0,05 град ниже температуры затвердевания цинка.
С повышением содержания железа превращение жидкости идет по перитектическим реакциям:
782°С:Ж + γ → Г,

672°С:Ж + Г → δ,
620°С:Ж + δ → Ж + δ1,
530°С:Ж + δ1 → ζ.

В твердом состоянии при 640° С превращения происходят по перитектоидной реакции
Г + δ → δ1

и при 623° С по эвтектоидной реакции
γ → α + Г.