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Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001, Septiembre de 2001
345-350
DIAGRAMA Fe-Zr-Nb, ESTUDIO DE LA REGION RICA EN Fe.
V. R. Goldbeck, D. Arias
Materiales - CAC – CNEA, Av. Gral. Paz 1499 (1650) San Martín, Buenos Aires, Argentina
mailto:[email protected],[email protected]
RESUMEN
Se presenta un estudio de fases en la zona rica en Fe del sistema Fe-Zr-Nb. Se
fabricaron por fusión en horno de arco eléctrico aleaciones en dicha región, se trataron
térmicamente y se analizaron con difracción de rayos-X, microsonda electrónica y
microscopía óptica y electrónica de barrido. Con anterioridad hemos identificado las fases de
Laves cúbica C-15 y hexagonal C-36, cuya existencia ocurre en un amplio rango de
composiciones, y la fase cúbica Fe23(Nb1-x+Zrx)6 que presenta muy amplio rango de
solubilidad sólida. En el presente estudio se ampliaron las experiencias con el fin de detallar el
alcance de cada una de esas fases. Así también se hallaron indicios de otras fases no descriptas
anteriormente.
Palabras claves
Jornadas, SAM - CONAMET - AAS 2001, Materiales, Transformaciones de fase, Fe
INTRODUCCION
La información disponible en la literatura correspondiente a la región rica en Fe del
diagrama ternario Fe-Nb-Zr es más que escasa. Solo existe un trabajo publicado en 1989 [1],
donde N. V. Korotkova presenta un corte de dicha región a 1315°C, en el cual se informa de
la presencia de las fases cúbica Fe2Zr (C15), hexagonal Fe2Nb (C14) y Fe. También existe una
revisión crítica del diagrama publicada en 1992 [2] que básicamente recoge la información
publicada en 1989. Respecto de las fases de Laves (AB2), K. Kanematsu [3] caracterizó a
partir de mediciones realizadas con rayos-X las fases existentes en el corte pseudo-binario
Fe2Zr - Fe2Nb.
Para el diagrama ternario Fe-Hf-Zr se han encontrado resultados similares en cuanto a
la existencia de una fase Fe23(Hf+Zr)6 según un trabajo de K. Mahdouk y J. C. Gachon [4].
Con el objeto de ampliar el estudio en curso de esta región del diagrama Fe-Nb-Zr, se
fundieron cuatro aleaciones adicionales a las dos aleaciones estudiadas previamente [5].
EXPERIMENTAL
Las aleaciones se fundieron en horno de arco con electrodo de W, bajo atmósfera de
argón de alta pureza (99.999%), a partir de Nb y Fe de 99.9% de pureza y Zr de 99.8% de
pureza (0.08% Fe y 0.1% O como impurezas principales). Las muestras se fundieron entre tres
y seis veces para minimizar las inhomogeneidades en composición. Fueron pulidas
mecánicamente con papel de carburo de silicio hasta malla 600, desengrasadas con éter y
envueltas en hojas de tantalio a fin de evitar la contaminación con silicio. Los tratamientos
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térmicos se realizaron en tubos, de vidrio de sílice, sellados bajo atmósfera de argón de alta
pureza (99.999%). Estos tratamientos térmicos fueron efectuados a las temperaturas y con las
duraciones para cada composición que se muestran en la siguiente Tabla 1.
Muestra
Z5
Z10
Z12
Z19
Z13
Z27
Composición
% atómica
Fe85Nb10Zr5
Fe85Zr10Nb5
Fe76Zr12Nb12
Fe76Zr19Nb5
Fe60Zr13Nb27
Fe60Zr27Nb13
Tabla 1. Tratamientos térmicos
Tratamientos térmicos
700°C
900°C
1250°C
1200ºC
715 hs
521 hs
0.5 hs
48 hs
715 hs
521 hs
0.5 hs
48 hs
---1440 hs
---48 hs
---1440 hs
---48 hs
---1440 hs
---48 hs
---1440 hs
---48 hs
Se utilizó la técnica de difracción de rayos-X (difractómetro modelo Phillips,
PW3710) para la identificación de las fases presentes en las muestras de fundición y las
tratadas térmicamente. Las muestras se prepararon en forma de polvos.
Se midió la composición química “Fe, Nb y Zr”, utilizando una microsonda
electrónica Cameca SX-50, en probetas pulidas en forma mecánica con diferentes papeles
abrasivos (carburo de silicio) y con paños con diferentes pastas de diamante hasta 0.25µm de
granulometría, como abrasivo. Se realizaron mediciones cuantitativas de composición en
barridos de entre 100 y 200 puntos cada 2µm, medidas puntuales para caracterizar las
morfologías encontradas en las muestras totalizando más de 2000 puntos y composición en
ventanas de observación.
RESULTADOS Y DISCUSION
El análisis de histogramas de composición en cada muestra para Frecuencia de puntos
Vs. Composición de Fe en un principio nos indicó que aparentemente estábamos en presencia
de una gran variedad de composiciones, y que no era fácil identificar las fases presentes en
dichos materiales [5]. Sólo se evidenciaban las fases luego de un minucioso estudio de la
composición asociada a cada morfología. Con los resultados de las mediciones de
composición en las muestras de fundición, las tratadas térmicamente a 700°C, 900°C 521 hs y
1250°C se observó una ligera evolución hacia el equilibrio el cual no fue alcanzado. Entre
700ºC y 900ºC prácticamente no se observaron diferencias significativas por lo que se decidió
no realizar el primer tratamiento para las cuatro últimas muestras. Las fases de Laves
resultaban difíciles de resolver. Aquí hay involucradas transformaciones de fases asociadas a
procesos de difusión extremadamente lentos comparados con otros trabajos realizados en
nuestro laboratorio [6]. En los tratamientos térmicos a 900°C 1440 hs y 1200ºC 48 hs las fases
bajo observación evolucionaron considerablemente mostrando histogramas de composición
que indican composiciones más definidas. Con estos resultados ahora se tienen más detalles
sobre los límites de la fase Fe23(Nb,Zr)6. Por otra parte en las muestras con 60% atómico de
Fe, Z13 y Z27, se encuentran resultados que concuerdan con los de otros trabajos realizados
en nuestro grupo en otras regiones del sistema Fe-Nb-Zr [7].
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Dispersión de [Fe] en muestra con Zr5%at
nominal a 900°C 521hs
N°
puntos
Frec.
8
7
6
5
4
3
2
1
0
71,0 72,574,0 75,577,0 78,580,0 81,5 83,084,5 86,0 87,5 89,090,5 92,0 93,595,0 96,5 98,0 99,5
[Fe]
Figura 1. Muestra Z5 a 900ºC.
Dispersión de [Fe] en muestra con Zr5%at
nominal a 1200ºC 48 hs
N° puntos
Frec.
35
30
25
20
15
10
5
0
71,0 72,5 74,0 75,5 77,0 78,5 80,0 81,5 83,0 84,5 86,0 87,5 89,0 90,5 92,0 93,5 95,0 96,5 98,0 99,5
[Fe]
Figura 2. Muestra Z5 a 1200ºC.
La comparación entre los histogramas de las figuras 1 y 2 muestra la diferencia entre los
tratamientos térmicos a 900ºC y 1200ºC para sólo la concentración de hierro en la muestra Z5
pero es sufiente para ver que aunque hay una gran dispersión a mayor temperatura se alínean
más nítidamente las composiciones entre fases de Laves y Fe. Esto es más evidente al hacer la
proyección en los triángulos de Gibbs, figuras 3.
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Figura 3. Triángulos de Gibbs a 900ºC y 1200ºC para muestra Z5.
Si ahora comparamos los mismos tratamientos para la muestra Z10 vemos que aumenta la
dispersión a 1200ºC dentro de un triángulo delimitado por fase de Laves, Fe y Fe23Zr6 como lo
muestra la figura 4.
Figura 4. Triángulos de Gibbs a 900ºC y 1200ºC para muestra Z10.
Con estos cuatro casos podríamos decir que la fase Fe23(Nb1-x+Zrx)6 no existe para x <
0,6. Sin embargo aún no se podría afirmar que x pueda ser menor que 1. Lo observado es
debido a velocidades extremadamente lentas de difusión que dificultan que una vez formadas
las fases de Laves estas puedan experimentar la transformación necesaria para dar la fase
donde el Nb pueda reemplazar al Zr en el Fe23Zr6. En la figura 5 veremos que para la muestra
Z12 si bien a 900ºC todavía hay una gran dispersión de concentraciones ya se perfila una línea
de distribución entre Laves y Fe23(Nb1-x+Zrx)6 que con el tratamiento a 1200ºC queda mucho
más evidenciada. Para esta composición nominal de la muestra Z12 se observa un x≈0,5. La
muestra Z19 al ser sometida a los mismos tratamientos térmicos que la Z12 dio resultados que
aún deben analizarse con más experiencias pero básicamente también resulta en un reparto
entre Laves y un punto sobre Fe23(Nb1-x+Zrx)6.
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Figura 5. Triángulos de Gibbs a 900ºC y 1200ºC para muestra Z12.
Figura 5. Triángulo de Gibbs a 1200ºC para muestra Z13.
Figura 5. Triángulo de Gibbs a 1200ºC para muestra Z27.
Para la muestra Z27 se observó que el tratamiento a 1200ºC concentraba mejor la
dispersión de concentraciones medidas hacia la composición nominal pero también se observó
un reparto con otra fase de Laves a concentraciones menores de Fe, ya observada en nuestro
laboratorio. La muestra Z13 también se definió más hacia la composición nominal pero
debido a homogeneización incompleta durante la fundición se obtuvieron otras composiciones
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nuevas, bastante definidas en números atómicos enteros, pero que requieren experiencias
adicionales para su confirmación
CONCLUSIONES
En la región rica en Fe del diagrama ternario Fe-Zr-Nb hemos identificado:
• Las fases de Laves cúbica C-15 y hexagonal C-36, cuya existencia ocurre en un amplio
rango de composiciones.
• Límites de la fase cúbica Fe23(Nb1-x+Zrx)6 que presenta muy amplio rango de solubilidad
sólida.
• Existencia de otra fase de Laves a menores concentraciones de Fe.
• Posible existencia de otras fases hexagonales a menores concentraciones de Fe
REFERENCIAS
1.
2.
1.
4.
5.
6.
7.
Korotkova N. V., “The Fe-ZrFe2-NbFe2 Phase Diagram”, Russian Metallurgy, 6, 185188, 1989.
“The Fe - Nb - Zr (Iron-Niobium-Zirconium) System”, Phase Diagram of Ternary Iron
Alloys , Part 6, Indian Institute of Metals, Calcutta, 1031-1041, 1992.
K. Kanematsu, “Structural and Magnetic Properties of Pseudobinary System
Fe2(Zr1−xNbx)”, J. of the Physical Society of Japan, 27, 849-856, 1969.
K. Mahdouk y J. C. Gachon, “Investigation of the Iron-Rich Corner of the Fe-Hf-Zr
System”, J. Of Phase Equilibria Vol. 17 Nº 3, 218-227, 1996.
V. R. Goldbeck, M. S. Granovsky, D. Arias, “Diagrama Fe-Zr-Nb, estudio de la región
rica en Fe”, SAM, 1998.
N. Nieva, V. R. Goldbeck, D. Arias, “Assessment of Experimental Measurements
obtained from Electron Microprobe Analyses. Utilized Criterions for the outline of
Phase Diagrams”, CALPHAD, 2001.
V. Goldbeck, M. Granovsky, M. Canay and D. Arias, “Contribution to the Investigation
of Ternary Fe-Nb-Zr Alloys”, CALPHAD, 2001.
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