KRYSTALIZACJA SILUMINÓW PODEUTEKTYCZNYCH SYNTETYCZNYCH Z DODATKIEM Fe

Transkrypt

1 Soliditication of Metais and Alloys, No.30, 1997 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 30, 1997 PAN - Oddział Katowice; PL ISSN STANlSŁAW PIETROWSK1*, RYSZARD WŁADYSIAK** KRYSTALIZACJA SILUMINÓW PODEUTEKTYCZNYCH SYNTETYCZNYCH Z DODATKIEM Fe W pracy przedstawiono wyniki badal1 metodą ATD siluminów syntetyczllych podeutektycznych z dodatkiem że laza. Stwierdzono, że zawartość Fe w siluminach \vplywa na ich proces krystalizacji powoduj ąc przy zawartości 0,8771,34% Fe krystalizację perytektyki poprzedzoną wydzielaniem dendrytów fazy a., a l,73% Fe tylko krystalizację perytektyki i w dalszej kolejności eutektyki potrójnej. l. WPROW ADZENIE Część wykresu ró\vnowagi fazowej Al-Si-Fe od naroża Al pokazano na rysunku l (a, b). Z rys. l a wynika, że krystalizacja siluminów może zachodzić w układzie z perytcktyką s~, s2 lub eutektyką ET. Przemiany perytektyczne są następujące: SI ; L+ AI3Fe B a+ AII 2Fe3Si' (629 C) S2; L+ AI 12 Fe3Si B a+ AI 9 Fc2Si, (611 C) Podczas krystalizacji eutektycznej wydziela się eutektyka potrójna: Skład fazy AlF es i zmienia się w funkcji zawartości S i oraz Fe jak to pokazuje rys. l b. Rozpuszczalność żelaza w aluminum przedstawiono na rysunku 2. Wynika z niego, że w temperaturze 450 C rozpuszczalność Fe w Al wynosi 0,005%. W temperaturze otoczenia rozpuszczalność Fe w Al jest prawic zerowa. Podany proces krystalizacji siluminów podeutektycznych w funkcji zawartości w nich Fe znajduje odzwierciedlenie na krzywych analizy tem1iczno - derywacyjnej (ATO) co przedstawiono poniżej. Do oceny metodą ATO procesu krystalizacji siluminów wykorzystano prace [l, 3-;.-8]. * prof. PŁ dr hab. inż. - Politeclmika Łódzka ** dr inż. - Politechnika Łódzka

2 204 Stanisław Pietrowski, Ryszard Władysiak a) %, Fe S i DL------L----~L------L------L------L----~L-~ o %, Si b) 800 Al Rys. l. Wykres równowagi fazowej Al-Si-Fe od naroża aluminium (a, b) Fig. l. Al-Si-Fe equilibriurn diagram from aluminium side (a, b)

3 !Vystali::acja siluminów podeutektycznych syntetycznych z dodatkiem Fe 205 t. c o j j 0,01 0,02 0,03 ' v;: ~.../ /' V l V l * J.K.Edgar -o- wg [2] ~' ~ o 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 %. Fe Rys. 2. Rozpuszcza lno ść żelaza w aluminium Fig. 2.Solubility of iron in aluminium 2. METODYKA BADAŃ Skład chemicmy badanych siluminów syntetycmych podeutektycmych podano w tablicy l. Tablica l. Skład chemicmy siluminów Ch em1ca l com JOSiliOn o f SI 1 umms L p Omaczenic Skład chemicmv, % S i Fe Al l A!Si9Fe 8,57 0,50 reszta 2 A!Si9Fel 8,64 0,87 " 3 A1Si8Fel 8,41 1,34 " 4 A!Si8Fe2 8,35 1,73 " Wynika z niej, że przy średniej zawartości 8,49% Si w siluminie, zawartość żelaza zmieniała się w zakresie 0,22+ l, 73%. Badania krystalizacji siluminów wykonano metodą A TO z wykorzystaniem aparatury CRYST ALDIGRAPH PC/ A T i opracowanego dla siluminów próbnika, w którym krystalizowały próbki o masie 55 g i module krzepnięcia M K= 0,54 cm. Wyn1iary próbnika

4 206 Stanisław Pietrowski, Ryszard Władysiak przedstawiono na rysunku 3. 03B forma skoru owa = ru rka kw arcowa Rys. 3. Schemat próbnika ATD Fig. 3. Scheme of ATD sampler 3. WYNIKI BADAŃ Reprezentatywną strukturę siluminów zawierających do 0,50% Fe pokazano na rysunku 4(a, b). Wynika z niego, że struktura siluminów złożona jest z fazy ex. oraz potrójnej eutektyki cx.+al 9 Fe 2 Si+p. Krzywe ATO tych siluminów przedstawiono na rysunku 5. Krystalizacja siluminu rozpoczyna się po jego przechłodzeniu do minimalnej temperatury Iikwidus tpk = ttmin = 595 C (punkt Pk na krzywej derywacyjnej) od wydzieleń pierwotnych dendrytów fazy ex.. Ciepło ich krystalizacji powoduje wzrost temperatury siluminu do maksymalnej temperatury likwidus t 8 = tlmax = 599 C (punkt B). Krystalizacja fazy a zwiększa stężenie krzemu w otaczającej ją cieczy przy jednoczesnym obniżaniu temperatury. W temperaturze minimalnej solidus te = tsmin = 565 C (punkt C) rozpoczyna się krystalizacja eutektyki potrójnej a+al 9 Fe 2 Si+p. Maksymalna temperatura jej krystalizacji wynosi te= tsmax = 570 C (punkt E). W pracy [l] Jura temperatury tlmin, itmax, tsmin, tsmax nazywa odpowiednio temperaturami metastabilnego i stabilnego likwidusu oraz

5 JVysta/i:.;acja siluminów podeutektycznych 5yntetycznych z dodatkiem Fe 207 solidusu. Krystalizacja siluminu kończy się w temperaturze tf = 554 C (punkt F). Wzrost zawartości żelaza do 0,87% w siluminie spowodował zmiany strukturalne przedstawione na rysunku G (a, b). W strukturze tego siluminu występują dendryty fazy a, długie pierwotne wydzielenia fazy Ał9FezSi oraz drobne jej wydzielenia w eutektyce potrójnej a+al9fe 2 Si+p. Na rysunku 7 pokazano krzywe ATD omawianego siluminu. Pomiędzy efektem cieplnym krystalizacji fazy a (punkt A) oraz efektem cieplnym (punkt C) początku krystalizacji eutektyki a+ał 9Fe 2 Si+P występuje dodatkowy efekt cieplny omaczany J. Jego temperatura wynosi t 1 =575 C. Z analizy wykresu równowagi fazowej Al-Fe-Si (rys. la) oraz badań mikrostruktury (rys. 6 a, b) wynika, że został on spowodowany reakcją perytektycmą S 2 tj. L + Ał 1 2 Fe 3 Si ~ a + Ał 9 Fe 2 Si. Dalsze zwiększenie w siluminie żelaza do 1,34% spowodowało wzrost ilości i wielkości wydzielonej zarówno podczas krystalizacji perytektyki jak i eutektyki fazy Al9FezS i, jak to przedstawiono na rysunku 8(a, b). Krzywe ATD siluminu zawierającego 1,3 4% Fe pokazano na rysunku 9. Wynika z nich, że wzrost ilości Fe w siluminach skrócił czas rozpoczęcia krystalizacji perytektyki S2 oraz podniósł jej temperaturę do t 1 =587 C. Istotną zmianę w procesie krystalizacji siluminów powoduje dodatek Fe = 1,73%, co pokazano na rysunku 10. Na krzywej derywacyjnej wyst~pują tylko efekty cieplne od krystalizacji pef)rtektyki S 2 oraz eutektyki ET. Krystalizacja pef)rtektyki rozpoczyna si~ w temperaturze tpk = tl min =594 C. Maksymalna temperatura likwidus tb = tlmin = 596 C. W temperaturze minimalnej solidus te = tsmm = 571 C rozpoczyna krystalizacj~ eutektyka a+ał 9 Fe 2 Si+p. Temperatura maksymalna solidus te= tsmax = 572 C. Z przedstawionych danych wynika, że przy zawartości 0,87-;.- 1,3 4% Fe w siluminach krystalizacja perytektycma poprzedzona jest wydzielaniem dendrytów fazy a. Ich front krystalizacji "odrzuca" atomy żelaza powodując jego zwiększone st~żenie w cieczy do wartości zapewniającej krystalizację perytektyki dla warunków chłodzenia w próbniku. Przy 0,50% Fe w siluminie, stężenie żelaza w cieczy nie zapewnia wystąpienia reakcji perytektycmej. Zawartość 1,73% Fe w siluminie powoduje krystalizacj~ perytektycmą, bez poprzedzającego ją wydzielania dend!)rtów fazy a. Struktur~ on;awianego siluminu pokazano na I)'Sunku l l (a, b). Występują w niej duże i grube wydzielenia fazy AlgFezSi utworzone w procesie krystalizacji perytektycmej oraz jej drobniejsze wydzielenia w eutektyce potrójnej.

6 208 Stanisław Pielrowski, Ryszard Władysiak Rys. 4. Reprezentatywna struktura siluminów zawierających 8,57% S i oraz 0,50% Fe. Pow.: a)- x 100, b)- x 200 Fig. 4. Rcpresentative structurc o f silumin with the 8.41% S i and 0.50% Fe eontent Magnification: a)- x 100, b)- x CD E F ~ o 650 dtld--r = f'(--r) -l o T, S -4 (l'k (B, lc' (E '!F ' Rys. 5. Krzywe ATO siluminu zawierającego 8,5% Si oraz do 0,50% Fe. f-ig. 5. ATO curves ofthc silumin with 8,5% Si and 0.50% Fe eontent

7 Krystali:::acja siluminów podeutektyc::.nych 5yntetycznych ::: dodatkiem Fe 209 Rys. 6. Reprezentatywna struktura siluminów zawierających 8,64% Sioraz 0,87% re. Pow.: a)- x 100, b)- x 200. f-ig. 6. Represcntativc structurc o f si lumin wit h t he 8.64'Yo S i and 0.87% Fe eonten t. Magniłication: a)- x 100. b)- x E F 750 o ~ l -!!2 ou -2 ł o '1: 200 S lpk ' tll, lj ' te. te, lr- ' Rys. 7. Krzywe ATO siluminu zaw ierającego 8,64% S i oraz 0.87% Fe. Fig. 7. ATO curves o f silumin with 8,64% S i and 0.87% Fe eonten t.

8 210 Stanisław Pietrowski, Ryszard Władysiak b) Rys. 8. Reprezentatywna struktura siluminu zaw i e raj ąceg o 8,41 % S i oraz l,34% Fe. Pow. : a) - x 100, b) - x 200 fig. 8. Representative structure o f silumin with the 8,41 % S i and 1.34% Fe contcnt. Magnitication: a) - x 100, b)- x A C D E F 750 o dt/d't" = f '('t") 650 -l 550 ' ' ' o "[." ' s tpk ' tb, oc t] ' oc te ' oc te ' IF, C Rys. 9. Krzywe i\.td siluminu zawierającego 8,41% S i oraz do l,34% Fe. Fig. 9. ATO curves o f silumin with 8,41% S i and 1.34% Fe co n tent.

9 !Vystali::acja siluminów podeutektyc::nych syntetycznych z dodatkiem Fe A B CDE F 750 o 650 d t/cl-e = f'( -c) -l ~ 450 t = tr-cj -3 ]50 o trk. tb, '"C te 200 s ' te, 400 tf, Rys. l O. Krzywe ATO siluminu za wierającego 8,35% S i oraz cło l, 73% Fe. Fig. l O. ATO curves o f sil umin with 8,35% S i and l. 73% Fe eonten t. a) Rys. 11. Reprezentatywna struktura siluminu zawierającego.35% Sioraz 1.73% Fe. Pow.:a)-x IOO.b)-x200 Fig. 11. Rcprescntativc structurc ofsilumin with thc g_35% Si and 1.73% Fe contcnt. Magnilication: a)- x 100, b)- x 200

10 212 Stanisław Pietrowski, Ryszard Władysiak WNIOSKI Z przedstawionych w pracy badań wynikają następujące wnioski dotyczące krystalizacji siluminów syntetycmych Al-Si-Fe: zawartość Fe w siluminach wpływa na ich proces krystalizacji powodując przy zawartości 0,87-;-1,34 %Fe krystalizację perytektyki poprzedzoną wydzielaniem dendrytów fazy a, a l, 73% Fe tylko krystalizację perytektyki i w dalszej kolejności eutektyki potrójnej, metoda A TD w połączeniu z wykresami równowagi fazowej oraz badaniami metalografiemymi umożliwia identyfikację krystalizujących faz w siluminach, oraz temperaturę ich krystalizacji a w konsekwencji kontrolę procesu krystalizacji. LITERATURA [l] Jura S., Jura Z.: Teoria metody ATD w badaniach stopów Al. Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN, Katowice, 1996, vol.28, s [2] Nisio M., Nasu S., Murakami J.: Journal Jap. Inst Metals. vol. 34, nr 12. [3] Pietrowski S., Władysiak R.: Ocena efektu modyfikacji i krystalizacji siluminu nadeutektycznego metodą A ID. Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN, Katowice, 1992, vol. 17, s (4] Pietrowski S.: Ocena krystalizacji siluminów metodą ATD. Inżynieria Materiałowa, 1994, vol. l, s (5] Pielrowski S., Władysiak R.: Ocena krystalizacji siluminów syntetycmych okołoeutektycznych metodą ATD. Krzepnięcie Metali i Stopów, P AN, Katowice, 1994, vol. 20, s [6] Pietrowski S., Wladysiak R.: Ocena krystalizacji siluminów podeutektycn1ych syntetycmych metodąatd. Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN, Katowice, 1995, vol. 22, s [7] Pielrowski S., Władysiak R.: Kontrola metodą ATD siluminów tłokowych. Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN, Katowice, 1996, vol.28, s [8] Wladysiak R.: Ocena metodą analizy termiemo-derywacyjnej (ATD) procesu krystalizacji, stmktury i właściwości stopów Al - Si z dodatkami Mg, Cu, Ni, Fe modyfikowanych Sr, P, Ti, B. - praca doktorska, PL, Łódź Stanisław Pietrowski Ryszard Władysiak Thc crystallization o f synthetic hypocutcctic siłumins with Fe additivc Summary The test resułts o f the synthetic silumins crystałłization which were made with the A TD method have been presented herc. It has been stated that the Fe eontent have an effect on the crystallization process of silumins causing for silumins with the 0.87.;.1.34% Fe eontent the cystallization of peritectic after dendrites a.-phaze crystałłization and for siłumins with the 1.73% Fe eontent at first the peritectic crystałłizes individuałły and the next the tri p l e eutectic crystallizes.