ANALIZA CZYNNIKÓW WPŁYWAJĄCYCH NA KRYSTALIZACJĘ EUTEKTYKI W STOPIE Al-Cu-Ag

Transkrypt

1 49/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN ANALIZA CZYNNIKÓW WPŁYWAJĄCYCH NA KRYSTALIZACJĘ EUTEKTYKI W STOPIE Al-Cu-Ag S. NOCUŃ 1, Z. KONOPKA 2, A. ZYSKA 3, M. ŁĄGIEWKA 4, A. BOBER 5 Politechnika Częstochowska, Katedra Odlewnictwa, al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE Praca przedstawia analizę czynników determinujących rodzaj eutektyki podwójnej Al-Al 2 Cu w potrójnym stopie Al-Cu-Ag. Czynniki jakie były analizowane to: entropia rozpuszczania faz eutektycznych, ułamek objętościowy danej fazy eutektycznej, prędkość wzrostu i gradient temperatury. Key words: unidirectional solidification, ternary alloy, eutectic growth, entropy of fusion 1. WSTĘP Rodzaj eutektyki zależy od zespołu czynników wpływających na krystalizację stopu. Do najważniejszych należą: entropia rozpuszczania faz eutektycznych, udział objętościowy danej fazy eutektycznej, prędkość wzrostu i gradient temperatury. Entropia rozpuszczania faz ma bezpośredni związek ze współczynnikiem entropowym, którego wartości poniżej 2 zwiększają prawdopodobieństwo wystąpienia kryształów nieścianowych, co w dalszej kolejności prowadzi do powstania eutektyk regularnych [2]. Wartością graniczną entropii rozpuszczania faz, która ogranicza występowanie eutektyk regularnych to 23 J/K mol [1, 2]. 1 mgr inż., snocun@mim.pcz.czest.pl 2 dr hab. inż., prof. PCz., konopka@mim.pcz.czest.pl 3 dr inż., zyska@mim.pcz.czest.pl 4 dr inż., cis@mim.pcz.czest.pl 5 mgr inż., bober@mim.pcz.czest.pl

2 339 Występowanie eutektyki regularnej płytkowej determinuje udział objętościowy faz eutektycznych. W zmiennym zakresie: 0,43 0,57 dla entropii rozpuszczania faz Sr bliskiej 0; do 0,23 0,77 dla S r równej 23 J/K mol [2]. Wzrost szybkości krystalizacji może z jednej strony stwarzać warunki dla przejścia morfologii eutektyki z płytkowej w włóknistą, czy co jest bardziej prawdopodobne prowadzić do zaburzenia frontu krystalizacji i w efekcie do wytworzenia się quasi-regularnej czy wręcz nieregularnej eutektyki. Występująca w potrójnym stopie Al-Cu-Ag eutektyka podwójna Al-Al 2 Cu jest eutektyką dobrze poznaną, opisywaną przez szereg autorów [1-9]. Nie jest jednak poznany wpływ srebra będącego trzecim pierwiastkiem stopowym na wzrost i ewolucję tej eutektyki. 2. METODYKA BADAŃ Krystalizację kierunkową przeprowadzono w piecu działającym w oparciu o metodę Bridgemana, w zakresie prędkości wysuwania tygla od 3, , m/s. Wsadem był pręt o wymiarach Ø7,8 mm 200 mm, uprzednio odlany ze stopu o składzie chemicznym Al 59%, Ag 15%, Cu 26%, wytopionym w atmosferze ochronnej argonu. Podczas krystalizacji kierunkowej dokonywano odczytów temperatury z umieszczonych w tyglu 8 termoelementów. Dane te posłużyły do wyznaczenia gradientu temperatury [7, 8, 9]. Obserwację mikrostruktury przeprowadzano na mikroskopie świetlnym oraz na mikroskopie skaningowym wyposażonym w analizator rentgenowski EDX, który wykorzystano przy przeprowadzaniu badań składu chemicznego poszczególnych faz. Metalografię ilościową przeprowadzono na oprogramowaniu do analizy obrazu Leica QWin. Analizę procesu krystalizacji przeprowadzono wykonując obliczenia entropii rozpuszczania według wzoru [2]: H S r = Tr gdzie: H zmiana entalpii [J/mol] T r temperatura równowagowa [K] W celu uzyskania temperatury równowagowej poszczególnych faz, przeprowadzono badanie skaningowej kalorymetrii różnicowej. Dzięki niskiej prędkości chłodzenia (0,5 K/min) uzyskane wyniki można było odnieść do badanego stopu jako równowagowe temperatury likwidus poszczególnych faz.

3 WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA W tabeli 1 przedstawiono zestawienie obliczeń i analiz poszczególnych czynników determinujących rodzaj eutektyki. Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń czynników determinujących rodzaj eutektyki. Table 1. Results of measurements and calculations of the parameters determining the eutectic type. Faza T k [K] H [J/mol] S r [J/mol K] χ Udział objętościowy fazy α α(al) θ(al 2 Cu) W badanych próbkach obserwowano wykrystalizowane kierunkowo dwie fazy: α i θ. Potrójna eutektyka była obserwowana jedynie w przestrzeniach na granicy frontu krystalizacji kierunkowej. Dla obserwowanych faz określono współczynnik entropowy χ: dla fazy α = 1,378; dla fazy θ = 1,8041. Zgodnie z teorią przy wartościach współczynnika entropowego poniżej 2 faza krystalizuje jako nieścianowa, a występujący front krystalizacji jest atomowoszorstki [1, 2]. Eutektyki nieścianowe wykazują tendencję do wzrostu regularnego, jak w przypadku obserwowanych próbek płytkowego. Kolejnym elementem, który ogranicza występowanie eutektyki płytkowej jest udział objętościowy faz. Przeprowadzone badania wykazały, że w przypadku obserwowanych próbek udział ten wahał się w zakresie od 56,455% do 64,417% udziału fazy α i zwiększał się wraz ze wzrostem prędkości krystalizacji [8]. Zgodnie z teorią, dla wartości entropii rozpuszczania faz eutektycznych na obserwowanym poziomie: S rα =13,8 J/mol K oraz S rθ =14,9 J/mol K eutektyki regularne płytkowe występują w zakresie udziału objętościowego faz od 0,33 do 0,67. Pomiar odległości międzypłytkowej wykazał, iż spełnione jest równanie opisujące wzrost regularnej eutektyki płytkowej vλ 2 =const. Wartość stała wyniosła m 3 /s [8].

4 PODSUMOWANIE Obliczone wartości entropii rozpuszczania faz eutektycznych oraz udziałów objętościowych faz eutektycznych potwierdzają prawdopodobieństwo wystąpienia eutektyki płytkowej w badanym stopie, co zostało udokumentowane obserwacjami mikroskopowymi, co pokazuje rysunek 1. Struktura ta została uzyskana przy prędkości krystalizacji 6, m/s. Widoczne są charakterystyczne podłużne ziarna z regularną eutektyką płytkową z widocznymi w skali makroskopowej zaburzeniami. Rys. 1. Eutektyka płytkowa Al-Al 2 Cu w potrójnym stopie Al-Cu-Ag. Fig.1. Lamellar Al-Al 2 Cu eutectic in the Al-Cu-Ag system. Rysunek 2 przedstawia strukturę uzyskaną podczas krystalizacji kierunkowej z szybkością 9, m/s. Na zdjęciu widoczna jest eutektyka nieregularna, która utraciła swoją płytkową strukturę. Dodatkowo w przestrzeniach między komórkami widoczna jest zamrożona struktura stopu Al-Cu-Ag o składzie chemicznym punktu potrójnego. Srebro rozpuszcza się w fazie α(al) w ograniczonym zakresie. Pozostała część dyfunduje przed frontem krystalizacji powodując przechłodzenie stężeniowe, co w dalszej kolejności również wpływa na stabilność frontu krystalizacji [9]. Porównując struktury z rysunków 1 oraz 2 można przypuścić dwa prawdopodobne mechanizmy wzrostu eutektyki. Wzrost prędkości krystalizacji powoduje fragmentację kryształów z jednoczesną utratą trwałości płaskiego frontu krystalizacji i tworzeniem się frontu komórkowo-dendrytycznego. W drugim wariancie można przypuścić możliwość przekształcania się eutektyki płytkowej w obrębie

5 342 kryształu w eutektykę włóknistą, co znajduje swoje potwierdzenie w prowadzonych badaniach nad innymi stopami. Zagadnienie to wymaga dalszej analizy. Rys. 2. Zaburzenia morfologii eutektyki płytkowej podczas wzrostu prędkości krystalizacji. Fig.2. Disturbances of morphology of the lamellar eutectic during the increasing of the unidirectional solidification velocity. LITERATURA [1] Kurz W., Fisher, D.J.: Fundamentals of solidification, Trans Tech Publications, Third Edition, Switzerland, [2] Fraś E.: Krystalizacja metali, WNT, Warszawa 2003 [3] Hecht U., Gránásy L., Pusztai T., Böttger B., Apel M., Witusiewicz V., Ratke L., De Wilde J., Froyen L., Camel D., Drevet B., Faivre G., Fries A.G., Legendre B., Rex S.: Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R46 (2004). [4] De Wilde J., Froyen L., Rex S.: Coupled two-phase [α(al)+θ(al 2 Cu)] planar growth and destabilization along the univariant eutectic reaction in Al-Cu-Ag alloys, Scripta Materialia 51 (2004) [5] Witusiewicz V.T., Hecht U., Fries S.G., Rex S.: The Ag-Al-Cu system Part I: Reassessment of constituent binaries on the basis of new experimental data, Journal of Alloys and Compounds, 385(2004) [6] Witusiewicz V.T., Hecht U., Fries S.G., Rex S.: The Ag-Al-Cu system Part II A thermodynamic evaluation of the ternary system, Journal of Alloys and Compounds, 387(2005)

6 343 [7] Konopka Z., Nocuń S.: Wpływ prędkości krystalizacji kierunkowej na odległość międzypłytkową eutektyki w stopie Al-Ag-Cu, Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 4(2004), Nr 14. [8] S. Nocuń, Z. Konopka: Wpływ prędkości krystalizacji kierunkowej na udział powierzchniowy faz potrójnego stopu Al-Ag-Cu, V Międzynarodowa Konferencja: Nowe Technologie i Osiągnięcia w Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, Częstochowa [9] Z. Konopka, S. Nocuń, A. Zyska, A. Bober, M. Cisowska-Łągiewka: Segregacja srebra podczas krystalizacji kierunkowej stopu Al-Cu-Ag, Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 5(2005), Nr 15. ANALYSIS OF THE PARAMETERS AFFECTING ON THE SOLIDIFICATION OF THE EUTECTIC IN Al-Cu-Ag ALLOY SUMMARY In this paper it was shown the influence of the parameters such as: entropy of fusion, volume fraction, velocity of the unidirectional solidification on the lamellar eutectic obtained during unidirectional solidification. It was shown that all known parameters allow us to classify obtained eutectic into regular lamellar eutectic what was proven during the microscopy observations shown on the figure 1. There is also shown the disturbances occurred during increasing the velocity of the unidirectional solidification shown on the figure 2. It can be estimated that this disturbances are occurred by evolution of the lamellar structure into the rod eutectic, or even loosing the regularity of the structure. Recenzował Prof. Mirosław Cholewa