3.3 Диаграмма состояния системы железо – кремний (Fe-Si)

В сплавах системы установлено существование следующих фаз: α- и γ-твердых растворов на основе железа, α-фазы, Fe₃Si , Fe₂Si , Fe₅Si₃ , FeSi, Fe₂lSi₃, FeSi₂  и кремния. Установлено существование замкнутой γ -области, область γ -фазы простирается до 2 % (по массе), или 3,9 % (ат.) Si, рисунок 7.

Рисунок 7. Диаграмма состояния Fe-Si

Давление в 4200 МПа  значительно расширяет γ-область, понижая ее низкотемпературную границу до 675-700 °С. При том же давлении и температуре 1200 °С  граница петли по данным металлографического и микродюрометрического анализов.  Микроструктурным, электронномикроскопическим и термическим анализами установлено, что по перитектической реакции при 1275 °С образуется фаза α2, которая с понижением температуры до 1140 °С  в результате упорядочения превращается в фазу α на основе соединения Fe₃Si. Фаза Fe₂Si, ранее обозначавшаяся как а", плавится с открытым максимумом при 1215 °С . Это соединение участвует в двух эвтектических реакциях при 1190 °С 31 % (ат.) при 1202 °С  при 35,3 % (ат.) Si соответственно. Соединение Fe₂Si стабильно до 1040 или 1045 °С . При этой температуре оно эвтектоидно распадается.

Фаза Fe₅Si₃  образуется по перитектоидной реакции при 1090 °С, устойчива до температур 825 °С; при этих температурах распадается по перитектоидной реакции. Однако эта фаза обнаруживается и при более низких температурах в метастабильном состоянии; фаза FeSi  плавится с открытым максимумом при 1410 °С . Это единственная промежуточная фаза в системе, существующая во всем интервале температур - от плавления до комнатной. Область гомогенности этой фазы расположена между 49 и 50,5 %  (ат.) Si. Кристаллическая структура соединения FeSi явилась прототипом для широкого класса кубических структур.

При быстром охлаждении сплавов от температур выше 1100 °С растворимость железа в кремнии может достигать 4 % (по массе). При охлаждении с более низких температур этой растворимости не обнаружено.

Сравнивая диаграммы состояния Fe-Si и Fe-Cr, можно сделать следующие выводы, что в системе Fe-Cr низкотемпературная граница фиксируется при более низкой температуре - 550 °С, а у Fe-Si при 675-700 °С, что объясняется неустойчивостью и расслаиванием на два твердых раствора о. ц. к. решетки системы Fe-Cr.

Температурный интервал стабильности фаз в системе Fe-Cr соответствует 440-820 °С, а в системе Fe-Si 650-980 °С, что также объясняется температурной неустойчивостью системы Fe-Si. В системе Fe-Si образуется гораздо больше промежуточных фаз, чем в системе Fe-Cr, это объясняется склонностью кремния к образованию новых соединений.

3.4 Методика и аппаратура

3.4.1 Термогравиметрия (тг) или термогравиметрический анализ

(ТГА) – один из основных методов в термическом анализе. Прибор для ТГ - термовесы построен на основе печи, в которой проба механически присоединена к аналитическим весам.

На рисунке 8 представлено схематическое изображение термовесов.

Рисунок 8. Схематическое изображение термовесов

Тремя существенными составными частями современного ТГ- прибора являются весы, печь и система управления прибором и обработки данных.

Чувствительные и надежные весы представляют центральную часть прибора ТГ. Для весов требуются чувствительность порядка 1 мкг и максимальная нагрузка 1 г. В большинстве случаев пробы в ТГ - экспериментах фактически весят от 10 до 30 мг. Существует несколько типов механизмов для весов, включая пружинное коромысло, консоль и торсионные весы, но предпочтительнее всех взвешивающий механизм с нулевой точкой, потому что тогда проба всегда остается в одной и той же зоне нагрева печи.

Температурный диапазон печи, используемой в термовесах, зависит главным образом от материалов, из которых печь изготовлена. Благодаря, используемому в печи керамическому огнеупору, оксиду алюминия прибор STA 409 PC способен создавать температуру до 1550 °С. Полная установка термогравиметрического, дифференциального сканирующего калориметра STA 409 PC представлена на рисунке 9.

Рисунок 9. Полная установка термогравиметрического, дифференциального сканирующего калориметра STA 409 PC

Недавно большинство современных приборов объединены с персональным компьютером для управления циклами нагрева и охлаждения, а также для хранения и обработки данных. Он может также рассчитывать первую производную кривой Δm от Т (ТГ), которая называется кривой производной термогравиметрии (ПТГ). Кривая ПТГ может существенно помочь в интерпретации кривых ТГ за счет разрешения перекрывающихся химических реакций. Другим способом разрешения реакций и достижения термодинамического равновесия является использование изотермического нагрева или очень малой скорости нагрева. В квази-изотермической ТГ (называемой также ТГ высокого разрешения или ТГ с контролируемой скоростью) нагревание замедляется, когда начинается изменение веса. Это улучшает разрешение, но с другой стороны, требует больше времени на ТГ – цикл. Потерю времени можно частично компенсировать, устанавливая относительно высокую скорость для тех областей, где не происходит никаких изменений.

Одним из основных элементов устройства STA 409 PC является держатель пробы, представленный на рисунке 10. Например, он оказывает огромное влияние на измерения, когда окружающая атмосфера находится в химическом равновесии с пробой. Хорошо известным примером служит разложение карбоната кальция, где открытый держатель пробы позволяет текущему газу эффективно уносить образующийся СО₂.

Рисунок 10. Держатель пробы