Робота № 3/3. Вивчення кристалізації бінарних сумішей

Мета роботи. Побудувати лінію ліквідусу та визначити температуру евтектичного перетворення сольових та металевих бінарних систем за допомогою кривих охолодження.

Методика роботи. Вимірювання температури при охолодженні розплаву здійснюється за допомогою термопари, яка складається з двох металевих провідників різного хімічного складу, одні кінці яких зварені і утворюють гарячий пай. Найчастіше для виготовлення термопар використовуються такі пари - хромель - алюмель (область середніх температур), мідь - константан (низькі температури), платино - платинородієвий сплав (високі температури, > 1000°С). Вільні кінці термопари (холодний пай) розміщуються в термостаті, в якому підтримується постійна на увесь період експлуатації температура. При розміщенні гарячого паю термопари в зоні вимірювання температури виникає термоЕРС (Е), величина якої є пропорційною різниці температур між гарячим (t) та холодним паями (t’): , де k - константа пропорційності. Якщо , то ; тому графічно залежність задається прямою, що проходить через початок координат (рис. 1, пряма 1). Якщо , то , де const - температура холодного паю. Залежність у цьому випадку задається прямою 2 на рис. 1. Мається на увазі, що йдеться про одну і ту саму термопару.

Для вимірювання термоЕРС використовують мілівольтметр, який приєднується до термопари за допомогою мідних провідників, приварених до вільних (холодних) кінців. Перед використанням термопари її калібрують, що зводиться до побудови графіка . Для цього "знімають" криві охолодження для ряду речовин (не менше трьох), температури плавлення яких добре відомі. Можна використовувати такі речовини, як вода (0°С), олово (231,85°С), свинець (327,3°С), цинк (419,4°С), стибій (630°С), NaCl (801°С), ВаС1₂ (801°С), срібло (960°С), золото (1063°С), СаSО₄ (1360°С). Вибрані для калібрування речовини плавлять у керамічному тиглі, в якому розміщується гарячий пай термопари в захисній трубці з кварцового скла або порцеляни, що запобігає взаємодії матеріалу термопари з розплавом (рис. 2). Для одержання кривої охолодження фіксують значення термоЕРС за мілівольметром через певний проміжок часу (1 хв); у результаті одержують криву, показану на рис. 3.

Горизонтальна ділянка кривої відповідає температурі кристалізації (плавлення). Проводячи аналогічний експеримент ще для кількох речовин із зазначеного вище переліку, одержуємо відповідність між термоЕРС та температурою плавлення, за якою будуємо калібрувальний графік у координатах Е – t_пл. Зазначимо, що горизонтальна ділянка на кривій рис. 3 відповідає температурі кристалізації розплаву, оскільки теплота, що при цьому виділяється, компенсує тепловідвід при охолодженні зразка.

	Рис. 1. Залежність термоЕРС термопари від температури
Рис. 2. Схема пристрою для вимірювання температур кристалізації: 1 - піч опору; 2 - термопара; 3 - посудина Дюара; 4 - мілівольтметр; 5 - тигель з розплавом; 6 - захисний ковпак для термопари

Розглянемо, як за допомогою кривих охолодження можна побудувати діаграму стану з евтектикою для бінарної системи. На рис. 4 наведено криві охолодження для чистого компонента А (крива 1), доевтектичного (крива 2), евтектичного (крива 3), заевтектичного (крива 4) сплавів та чистого компонента В (крива 5).

Криві 1, 5 є подібними, температурна зупинка відповідає температурі кристалізації чистих компонентів А та В відповідно, крива 2 - охолодженню сплаву, склад якого на діаграмі стану позначено точкою 2. Характерною особливістю цієї кривої є наявність перегину, який відповідає початку кристалізації компонента А з розплаву.

Зниження температури супроводжуватиметься подальшою кристалізацією компонента А, у результаті чого розплав буде збагачуватись компонентом В. Зміна складу розплаву відбувається вздовж ділянки 2’ - ε. За досягнення евтектичної температури t_ε кристалізація розплаву (склад задається точкою ε) відбуватиметься без зміни складу, у результаті чого на кривій охолодження фіксується температурна зупинка. Після завершення кристалізації розплаву при подальшому зниженні температури буде охолоджуватись твердий зразок.

Рис. 3. Крива охолодження індивідуальної речовини

Аналогічно інтерпретується крива охолодження заевтектичного сплаву, позначеного точкою 4. Зрозумілою є також крива охолодження сплаву, склад якого точно відповідає евтектичному (точка 3 на діаграмі стану).

Отже, виконання роботи зводиться до одержання кривих охолодження відповідних сплавів та чистих компонентів, побудови лінії ліквідусу за точками перегину і визначення температури евтектики.