DIAGRAMA DE FASES DEL SISTEMA ZR-FE-SN. NUEVOS RESULTADOS EXPERIMENTALES.

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
Diagrama de Fases del Sistema Zr-Fe-Sn. Nuevos Resultados
Experimentales.
N. Nieva a, A. Gómez a, D. Arias b
a
Laboratorio de Física del Sólido, Departamento de Física, FCEyT, Universidad Nacional de Tucumán.
Av. Independencia 1800, (4000) S.M. de Tucumán – R. Argentina. [email protected]
b
Departamento de Materiales, CAC, Comisión Nacional de Energía Atómica,
Av. del Libertador 8250, 1429 Buenos Aires – R. Argentina.
Se exponen nuevos resultados del estudio experimental del diagrama de fases del sistema circonio-estañohierro. Se analizan las fases existentes y sus relaciones de equilibrio en la región central del triángulo de
Gibbs, para el corte isotérmico de 900ºC. Se diseñó y fabricó un conjunto de aleaciones ternarias las que
fueron analizadas mediante diversas técnicas complementarias: análisis semi-cuantitativo con
microscopio de barrido electrónico y espectrometría dispersiva en energía (SEM-EDS), difracción de
rayos X y análisis metalográfico (microscopia óptica y electrónica). Se exponen los diagramas de fase
ternarios experimentales resultantes.
Palabras Claves: Diagrama de fases – Sistema Zr-Sn-Fe - Circonio.
1. INTRODUCCIÓN
Las aleaciones metálicas basadas en el circonio
son muy utilizadas en el campo de la industria
nuclear, principalmente en la fabricación de
vainas para los elementos combustibles y en
piezas componentes de los reactores nucleares,
debido a sus propiedades de baja absorción de
neutrones, buenas propiedades mecánicas y
buena resistencia a la corrosión.
El diagrama de fases de este sistema, a la
temperatura de 900 0 C, fue estudiado
experimentalmente por Tanner y col. [1],
Kudriatsev y col. [2], Korotkova [3] y Nieva y
col. [4, 5] en la región rica en Zr y sectores
adyacentes al binario Zr-Fe, y por Nieva y col.
[6, 7 y 8] en la región rica en Sn y sectores
ternarios adyacentes al binario Zr-Sn. Tanner y
col [1] identificaron un compuesto ternario
denominado fase θ, de composición puntual: Zr
(68.6%), Sn (19.0%), Fe(12.4%), en porcentajes
atómicos. Por su parte Nieva y col. han
informado sobre la existencia de dos nuevos
compuestos ternarios: la fase N (Zr28Sn37Fe35)
[6] y la fase X ( Zr39Sn45Fe16) [7].
En el presente trabajo se investiga la región
central del diagrama tomando como base de
partida los trabajos de Nieva y col. Para ello se
diseñaron y fabricaron tres aleaciones ternarias
y se identificaron las fases presentes usando
técnicas metalográficas, de difracción de rayos
X y microscopía electrónica de barrido con
análisis
semi-cuantitativo
utilizando
espectrometría dispersiva en energía (SEMEDS).
2. TECNICAS EXPERIMENTALES
2.1 Fabricación de las aleaciones
Como materiales de partida se utilizaron
elementos de alta pureza: circonio (99.9% - 600
ppm en peso de Fe – 200 ppm en peso de O),
estaño (99.999% en peso) y hierro (99.95% en
peso). Estos fueron fundidos en un horno de
arco con electrodo de tungsteno no consumible
y crisol de cobre refrigerado con agua, con un
sistema con presión de argón de alta pureza
(99.999%). Se realizaron cuatro fusiones por
muestra con el objeto de homogeneizarlas,
obteniéndose
finalmente
botones
de
aproximadamente 8 gramos.
2.2 Tratamientos térmicos
Las muestras recién fundidas fueron
cuidadosamente limpiadas, envueltas en láminas
de tantalio y colocadas en tubos de vidrio de
sílice previamente limpiados y secados en
mufla. Los tubos se purgaron con argón de alta
pureza y se sellaron manteniendo presión
interna de argón de 200mmHg. Para finalizar
los tratamientos térmicos, los tubos fueron
retirados del horno y templados en agua.
En la tabla 1 se exponen la composición de las
aleaciones fabricadas y el tiempo del
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tratamiento térmico de 900 ºC a que fueron
sometidas.
Tabla 1. Composición y tratamientos térmicos
de las muestras
Muestra
A1
A2
A5
Composición
[% atómico]
Zr Sn Fe
46 34 20
32 28 40
25 20 55
presencia de la fase N. En las figuras 2 y 3 se
presentan
una
micrografía
con
la
microestructura de esta muestra y un mapeo de
EDS realizado sobre la misma superficie.
Duración TT
[horas]
1776
1776
1776
2.3 Preparación de las muestras
Para los análisis metalográfico y de SEM-EDS
las muestras fueron pulidas con papel de
carburo de silicio y con pasta de diamante.
Posteriormente fueron atacadas químicamente
con una solución acuosa de ácido nítrico. Se
obtuvieron diagramas de rayos-X por el método
de polvos, obtenidos moliendo parte de cada
una de las muestras en un mortero de ágata.
3. RESULTADOS Y DISCUSION
El difractograma de la muestra A1 exhibe la
presencia de tres fases cristalinas: la fase
Zr5Sn4, fase X y la fase ZrFe2. Los picos de
mayor intensidad corresponden a la fase Zr5Sn4
(figura 1). Se observó una rápida degradación
de esta muestra en su exposición al medio
ambiente. Este efecto también fue observado
por MacPherson y col. [9] en aleaciones
binarias de composición cercana al compuesto
Zr5Sn3, y por Nieva [10] en aleaciones ternarias
con composiciones cercanas al compuesto
Zr5Sn4.
Figura 2. Mapeo EDS sobre la superficie de la
muestra A2
El mapeo mostrado corresponde a la detección
del elemento Fe (con puntos oscuros se indican
los puntos de detección sobre la superficie). Las
zonas de mayor presencia de Fe corresponden a
la fase ZrFe2, las zonas de contenido intermedio
a la fase N y las zonas de menor contenido
corresponden a la fase X.
Figura 3. Micrografía de la superficie de la
muestra A2
Figura 1. Diagrama de rayos-X de la muestra
A1 tratada a 900 ºC. Fases identificadas: (C)
ZrFe2, (H) Zr5Sn4, (X) fase X, (N) fase N
El difractograma de la muestra A2 presentó los
picos correspondientes a dos fases principales:
X y ZrFe2 , y en menor proporción relativa, la
La muestra A5 presenta en su micro estructura
la fase ZrFe2, como mayoritaria.. Su diagrama
de rayos-X, (figura 4), muestra a los picos de la
fase ZrFe2 como principales y algunos picos de
fases secundarias como la fase N y la fase X.
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8. N.Nieva, D.Arias., Anales de CONAMETSAM / SIMPOSIO MATERIA 2002, 1,
(2002) 287.
9. McPherson, D.J., Hansen, M., Trans. Am.
Soc. Met., 45, 915, (1953).
10. N.Nieva, Tesis Doctoral, Univ. San MartínCNEA, 2003.
Figura 4. Diagrama de rayos-X de la muestra
A5 tratada a 900 ºC. Fases identificadas: (C)
ZrFe2, , (X) fase X, (N) fase N
5. CONCLUSIONES
Con los resultados obtenidos es posible delinear
el diagrama de fases en la región central del
triángulo de Gibbs (figura 5). Se delinean dos
triángulos de existencia de tres fases en
equilibrio: la muestra A1 dentro del triángulo de
compatibilidad de las fases Zr5Sn4, la fase X y
la fase ZrFe2, y las muestras A2 y A5 dentro
del triángulo de compatibilidad de las fases X,
N y la fase ZrFe2. Estos campos se agregan al
diagrama de fases experimental delineado por
Nieva y col [8].
6. AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue apoyado por el Concejo de
Investigaciones de la Universidad Nacional de
Tucumán (CIUNT) y el Concejo Nacional de
Investigaciones Científicas y Tecnológicas de la
República Argentina (CONICET).
7. REFERENCIAS
1. Tanner, L.E., Levinson, D.W., Transactions
of the ASM, 52 (1960), 1115-1133.
2. Kudryatsev, D.L., Tregubov, I.A., Physical
Chemistry of Zr Alloys [en Ruso], Nauka,
Moscú, (1968).
3. Korotkova, N. V., Russian Metallurgy, 5
(1990), 201-208.
4. N.Nieva, D.Arias, , Anales Jornadas SAM
98-IBEROMET V, 1, (1999) 361.
5. N.Nieva, D.Arias. Anales Jornadas SAM 99,
1, (2002) 174.
6. N.Nieva, D.Arias, Journal of Nuclear
Materials, 277, (2000) 120.
7. N.Nieva, D.Arias., Anales Jornadas SAMCONAMET-SAM 2001, 1, (2002) 339.
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Figura 5. Corte isotérmico de 900°C. Se indican en el diagrama: las aleaciones preparadas (A1,
A2, A5) y los limites de existencia de fases (triángulo sombreados, ........ limites de fases
probables).