Sn-Pb-Ag合金熔体性质及加Zn对合金中Ag分布规律影响的研究

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Sn-Pb-Ag合金(粗焊锡主要组成)作为粗锡火法精炼的一种中间产物,可通过真空蒸馏-结晶来回收Sn、Pb、Ag等金属。然Sn-Pb-Ag经真空蒸馏后,高沸点的银留在残留物—粗锡中,再次返回螺旋结晶机,如此循环便降低了生产效率,增加了劳动强度,因此在焊锡进入真空炉之前利用加锌提银的方法开路其中的银可为粗焊锡火法精炼提供新的思路,并完善粗焊锡的火法精炼工序。合金的熔体结构以及液态时的相平衡对Sn-Pb-Ag合金的加锌提银有重要的影响,因此利用分子动力学模拟计算合金的熔体性质并绘制其三维相图具有较高的理论指导意义。首先,分别利用拟合曲面方程法和插值法绘制Sn-Pb-Ag三维相图的液相面,初步还原Sn-Pb-Ag三维相图。绘制结果表明:插值法得到的三维相图液相面很不光滑,局部波动很大,不能显示出相邻相区的析晶线和共晶点;拟合曲面方程法得到的液相面相对光滑,并能清晰的显示出相邻相区的析晶线和共晶点,拟合出的(Ag)、Ag5Sn、Ag3Sn、(Pb)、(Sn)等相区曲面方程的可决系数r2分别为1.000、0.9819、0.9855、0.9872、0.9713,说明拟合出的曲面方程是可信的。为了进一步验证拟合出液相面的准确性,选择投影图上等温线数据,对比其原始温度值与拟合温度值,结果表明:原始值与拟合值的最大偏差为23.67℃,最小为0.26℃,偏差绝对值的平均值为6.57℃C,相对误差绝对值的平均值为1.36%,原始值与拟合值相符,说明利用拟合曲面方程法获得Sn-Pb-Ag三维相图是准确、可行的。从三维相图中可得知:体系中锡过量时,Ag不会以单质态存在,而是以Ag-Sn化合物的形式存在。其次,采用从头算分子动力学模拟计算了450℃时焊锡二元及三元合金的熔体结构。二元合金模拟结果表明:Sn-Ag、Sn-Zn和Sn-Pb等二元合金的扩散系数大小顺序为:DSn-Zn>DSn-Pb>DSn-Ag,可知:Sn-Ag原子间的作用力最强,Sn-Zn原子间的作用力最弱。另外,Sn-Zn和Sn-Pb合金仅短程有序,Sn-Ag合金不仅短程有序,且中程有序,可见: Sn-Zn和Sn-Pb己完全呈液态,Sn-Ag并未全部熔化,因为Sn-Ag体系中存在2个高熔点的金属间化合物:ζ和ε相。三元合金模拟结果表明:Sn-Pb-Ag、Sn-Ag-Zn和Pb-Ag-Zn等三元合金450℃时仍呈现金属态。模拟后Sn-Pb-Ag体系中Ag仅与Sn成键,且Ag-Sn原子间距离略微增大,其平均值仅比模拟前增加了0.251A。Sn-Ag-Zn体系模拟前Ag1周围存在4个Zn原子Zn1、Zn2、Zn3和Zn4,但均未成键,模拟后Ag1与Zn1、Zn2原子成键,可见体系中Ag更倾向与Zn成键。Pb-Ag-Zn体系模拟后Agl-Znl间距离为2.475A,缩短了1.025A,而Ag1与另外三个Pb原子间距分别为:3.434A、3.291A、3.571A,相比模拟前,Ag-Pb原子间距变化甚微,可见体系中的Ag原子与Zn原子之间有着强烈的相互作用,有生成Ag-Zn化合物的趋势。最后,以Sn-36.6wt.%Pb-1wt.%Ag为研究对象,采用SEM-EDS和化学成分分析等手段,开展Sn-Pb-Ag加Zn后Ag与Sn.Zn反应的热力学、浮渣含银量及Ag-Zn化合物的组成、形貌、分布研究,并与Pb-1wt%.Ag体系加Zn后做对比。结果表明:Ag更倾向与Zn生成Ag-Zn金属间化合物;浮渣含银低于1%;体系中存在三种金相:富锡相(Sn-12.1wt.%Pb-0.52wt.%Ag-2.42)、富铅相(Pb-31.34wt.%Sn-1.89wt.%Zn)和Ag-Zn化合物相(Zn-27.3wt.%Ag-10.87wt.%Sn-3.7wt.%Pb),这三相均匀分布于体系中。而Pb-1wt.%Ag-Zn存在两种金相:白色铅相(含99.45%Pb)位于底部;灰色Ag-Zn化合物相(Zn-27.09.wt.%Ag)位于上部,底部与上部间存在过渡区,过渡区里越靠近底部Ag-Zn化合物越少.原因可能是:Sn-36.6wt.%Pb-1wt.%Ag仅比Ag-Zn化合物密度大0.35g/cm3;Sn-36.6wt.%Pb-1wt.%Ag为富锡基体系,富锡基中不存在双液相分层区。同时,Sn-Pb-Ag加入Pb后,不仅能增大体系的密度,铅过量时液相将存在双液相分层区,使得加锌富集Sn-Pb-Ag中的银成为可能。
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