STRUKTURA KOMPOZYTU Cu-Pb-Ti-C grafit. 1. Wstęp. Cu-Pb-Ti-C f"t' opracowanego w Katedrze Odlewnictwa Politechniki gra1

Transkrypt

1 Krzepni~cie ~Etai i stopów t. P ISSN ISBN Ossoinet.m 1987 Janusz ERASZCZYNSKI Szczepan TOMCZYNSKI STRUKTURA KOMPOZYTU Cu-Pb-Ti-C grafit 1. Wstęp W artykue przedstawiono wyniki badań strukturanych kompozytu Cu-Pb-Ti-C f"t' opracowanego w Katedrze Odewnictwa Poitechniki gra1 Częstochowskiej. Przeprowadzone badania wykazały, że kompozyty mają złożoną strukturę wieofazową, a w szczeg6ności zawierają tr6jskładnikowe fazy, kt6re w niniejszym opracowaniu nazwano fazami międzymetaicznymi. Przeprowadzono wstępną charakterystykę się tych faz opierając na wynikach mikroskopii skaningowej i mikroanaizy rentgenowskiej. Nie udało się dokonać pełnej anaiw faz międzymetaicznych występujących w stopie, ze wzgędu na brak na ich temat danych w kartotece ASTM. Kompozyty Cu-Pb-Ti-C afit otrzymywano metodą opisaną w poprzedgr nim artykue. Skład chemiczny odanych pr6b przedstawiono w tab. 1. Tabea 1. Skład chemiczny badanych probek Nr pr6by Frakcja Skład chemiczny (%) grafitu J.J.m c T i Pb C u gr ,88 4,79 4,79 reszta ,42 4,82 4,80 reszta ,75 4,67 4,85 reszta

2 6 4 Janusz B ras z czyński, Szczepan Tomczyński P anowany z akres badań obejmował: - badania mikroskopowe struktury stopu, - mikroanaizę rentgenowską składu chemicz nego, - rentgenowską anai zę fazową i ocenę zawarto ś ci grafitu metodą izoacji eektroitycznej. 2. Badania mikroskopowe struktury Badania mikrostruktury przeprowadzono na nietrawionych i trawionych zgładach metaograficznych za pomocą eektronowego mikroskopu skaningowego firmy Cambridge typu Stereoscan S-180 oraz mikroskopu świetnego firmy Reichert typu MeF-2. Zgłady wykonano w płaszczyźnie poprzecznej do osi pr6bek wacowych <f> 24 mm i trawiono je odczynnikiem o następującym składzie: 1 g K cr 2 2 o + 4 m H SO m H O + 2 krope HCL Czas trawienia wynosił 2 5 s (mikroskop świetny) oraz 5-10 min (mikroskop skaningowy). Anaiza zdjęć mikroskopowych wskazuje, że badane pr6bki mają strukturę dendrytyczną, wieofazową (rys. 1), a w pobiżu osi tych próbek występują nieciągłości (pustki) tworzące jamę skurczową (rys. 2). W pr6bce nr 1 o małej zawartości drobnego grafitu typowymi obrazami a b Rys. 1. Mikrografie świetne zgład6w pr6bki nr 1: a - powiększenie 70x b - powiększenie 350x

3 ~S~t~ru~kt~u~ra=-~k~o~m~p~o~zyi~~u~C~u~-~P~b~--T~i-_C~ grafit ~5 Rys. 2. Mikrografie skaningowe zgładu próbki nr 1. Jama usadowa w osi próbki. Widoczna powierzchnia swobodna dendrytów krystaizujących z małą szybkością struktury są obrazy przedstawione na rys. 3. Na te osnowy obserwuje się bardzo iczne, drobne, jasne wydzieenia fazy międzymetaicznej w postaci cząstek o niereguarnych kształtach ub rzadziej w postaci dłu- Rys. 3. Mikrografie skaningowe zgładu próbki nr 1. Widoczne wydzieenia fazy międzymetaicznej wystające ponad wytrawioną osnowę. Głębokie trawienie ziarn osnowy ujawnia dezorientację ziarn (figury trawienia) gich i cienkich płytek. Wydzieenia te mają wiekość rzędu kiku mikrometrów i nie wykazują trwałego połączenia. Podczas głębokiego trawienia cząstki te wypadają pozostawiając wgłębienia w postaci kraterów.

4 66 Janusz Braszczyński, Szczepan Tomczyński Anaiza obrazów o dużym powiększeniu (rys. 4) dowodzi, że wszystkie płatki grafitu były zarodkami wydzieania się fazy międzymetaicznej (mają otoczki tej fazy). Rys. 4. Mikrografie skaningowe zgładu próbki nr 2, Widoczne płatki grafitu z otoczkami faz międzymetaicznych po usunięciu osnowy przez trawienie Struktura próbek z większą zawartością grubszego grafitu (nr 2 i 3) jest bardziej zróżnicowana, tak ze wzgędu na zwiększoną iczbę oraz rozmiary płatków grafitu (rys. 5), jak i postać wydzieeń (rys. 6). Rys. 5. Mikrografie skaningowe zgładu próbki nr 3. Obszar o dużej gęstości płatków grafitu

5 Struktura kompozytu Cu-Pb-'I'i-C grafit ;6:::..;.7 Rys. 6. Mikrografie skaningowe zgładu próbki nr 3: a - wydzieenia płytkowe fazy międzymetaicznej, b - wydzieenia płytkowe zawierające płatki grafitu Oprócz drobnych wydzieeń obserwuje się w nich wydzieenia o strukturze płytkowej zawierające płatki grafitu. 3. Mikroanaiza rentgenowska Badania składu chemicznego osnowy i wydzieeń w stopach wykonano techniką anaizy punktowej, stosując jako wzorce spektranie czyste pierwiastki. Da każdej z badanych faz w próbce wykonano około 20 pomiarów, a uzyskane wyniki opracowano statystycznie, tj. wyeiminowano skrajne wyniki pomiarów i obiczono średnią. Korekcję efektów mikroanaizy przeprowadzono za pomocą minikomputera stosując program korekcyjny MAGIC IV. Krzywe stężenia pierwiastków wzdłuż wybranych inii na próbce uzyskano techniką anaizy iniowej przez odchyanie wiązki w stosunku do nieruchomej próbki. Obrazy eektronowe powierzchni i obrazy rozmieszczenia powierzchniowego pierwiastków wykonano techniką skaningu powierzchniowego. Próbki do badań przygotowano w postaci nietrawionych zgładów metaograficznych. Stosowano mikroanaizator rentgenowski SEMQ produkcji firmy ARL. Na rys. 7 i 8 przedstawiono obrazy eektronowe mikroobszarów oraz obrazy powierzchniowego rozmieszczenia pierwiastków w tych mikroobszarach, natomiast na rys. 9 krzywe st~żenia pierwiastków wzdłuż inii na próbkach. Wyniki te uzupełniono punktową anaizą składu chemicznego osnowy i wydzieeń.

6 6 8 Janusz Braszczyński, Szczepan Tomczyński o) obraz eektronowy b) rozłożenie Cu c) rozłożenie Ti d) rozł'ożenie Pb Rys. 7. Struktura kompozytu Cu-Pb-'I'i-grafit, pr6bka nr, mikroanaizator rentgenowski, powiększenie 700x. Powierzchniowy rozkład pierwiastk6w w obszarze osnowy bez płatk6w grafitu. Widoczne wydzieenia ołowiu metaicznego Stwierdzono, że we wszystkich pr6bkach występują składniki fazowe o zbiżonym w granicach błędu składzie chemicznym. Podstawowymi składnikami większości wydzieeń są oł6w, tytan i miedź. Precyzyjne okreśenie składu wydzieeń jest utrudnione ze wzgędu na ich niewiekie rozmiary. Stwierdzono, że średnie zawartości ołowiu i tytanu w wydzieeniach tych wynoszą odpowiednio 23 i 14o/o (dopełnienie do OOo/o

7 S~t~ru~kt~u~ra~~k~o~m~p~o~zyt~~u~C~u~-~P~b~--'I'~i-_C~ grafit ~9~ f a) obraz eektronowy b) rozłożeni e C u c) rozłożenie C d) raztażenie Ti Rys. 8. Struktura kompozytu Cu -Pb-'I'i-Cgrafit, próbka nr 3, mikroanaizator rentgenowski, powiększenie 700x. Rozkład pierwiastków w obszarze powierzchniowym płatków grafitu e) raztażenie Pb

8 a \ ~~,v~ "~ ~,' 'v ł J.,, ;, 1 1,,' IIII "' : J-':,_ ~,... i. "'\ \/,~ ~ I II III j :~ 11 t, III '' j II I III ijj ' ~ \ Cu 1\ i Pb r,t,\ i'\'11 ~-~~\;IM., T i b ~ ~~~ J \ ~ ' ' 'f! \ i! \.,',: ' i d t '''' i,,, 1: :1 11:. \i,, ' ~ : C u ~~II I : ' ~ 11.,,!: : /1 ' ' ', ~.. (\,' ;.,Ił,,,. >n, ; ' i ~ Pb ' t' "'" h, : i ' ;\ ~~.." ~,,, ' \ \ V ; : ~ 1 V \t' Y" 11, " ", ' i ~ ~ /,, r,.,. ' \\./ \ j..., f '\' ''V-" ~-! \ C... '.'\ ' -- ', ', ; u./ '" ' \. ' '.. 'v-'.r.a.. ""'o.#"""' J.. Lv--""'""'...,., ' -..J c i;' ::s s: ( N ti ~ ( N () ~ ;:s, ( ~ ;:s, IJ c: Rys. 9. Krzywe stężenia pierwiastk6w wzdłuż wybranych inii na pr6bkach: a - pr6bka nr 1, stężenie pierwiastk6w w wydzieeniu fazy międzymetaicznej, b - pr6bka nr 3, stężenie pierwiastk6w w otoczeniu płatka grafitu

9 Struktura kompozytu Cu-Pb-''i-C gra f"t '7'-=-1 1 stanowi miedź), przy czym w nieicznych, dużych wydzieeniach oznaczono około 61~ Pb i 22~ ''i. Faza Pb-''i-Cu występuje również w postaci otoczek grafitu (.rys. 5). Oprócz fazy Pb-''i-Cu i grafitu, które występują także we wspónych złożonych wydzieeniach, w badanych próbkach stwierdzono w mniejszej iczbie obecność cząstek ołowiu metaicznego. Wydzieenia ołowiu metaicznego widoczne są na rys. 7 (ich obrazy eektronowe są podobne do obrazów fazy Pb-''i-Cu, natomiast obrazy rozmieszczenia pierwiastków nie wykazują zawarłości Cu i 'I'i). Ponadto stwierdzono nieiczne złożone wtrącenia tenkowe zawierające Cu i ''i oraz ''i, Cu i Fe. Mikroanaiza składu chemicznego osnowy wykazała, że oprócz miedzi zawiera ona 1-2% ''i oraz Śadowe iości Pb. 4. Rentgenowska anaiza fazowa Badania rentgenowskie umożiwiły okreśenie składu fazowego próbek oraz izoatów uzyskanych po rozpuszczeniu osnowy. Proces izoowania wydzieeń wtrąceń przeprowadzono metodą eektroityczną w O-procentowym roztworze kwasu sonego w akohou etyowym przy gęstości prądu ma/cm w czasie 24 godzin. Uzyskane izoaty kikakrotnie płukano wodą i akohoem etyowym a następnie suszono w temperaturze 60 C. Na podstawie masy próbek przed i po izoacji oraz masy wysuszonego izoatu okreśono procentową zawartość wyizoowanych faz w próbkach. Skład fazowy próbek oraz izoatów okreśano na podstawie rentgenogramów wykonanych za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego PW PW Identyfikację faz przeprowadzono opierając się na diagramach wzorcowych AS'I'M. W tym ceu na podstawie kątowych położeń inii na dyfraktogramach okreśono odegłości międzypłaszczyznowe sieci krystaicznej na podstawie prawa Bragga. Odegłości te wraz z natężeniami odpowiadających im inii porównano z wartościami stabiizowanymi AS'I'M. Wyniki rentgenowskiej anaizy fazowej próbek przedstawiono w tab. 2. Stwierdzono, że fazą podstawową jest roztwór stały na osnowie miedzi, o czym świadc zy zwiększenie parametru sieciowego w stosunku do czystej Cu. Następnymi w koejności fazami są ołów i grafit. Ponadto stwierdzono występowanie fazy, której inii nie dało się zidentyfikować na podstawie danych w kartotece AS'I'M.

10 72 Janusz Braszczyński, Szczepan Tomczyński. Tabea 2. Wyniki rentgenowskiej anaizy fazowej kompozytu Cu-Pb-Ti-C f't gra 1 ; Nr próby Skład fazowy Uwagi o iości fazy 1 - roztwór stały Cu - Pb - c grafit - inie niezidentyfikowane faza główna, duża szerokość inii interferencyjnych średnio mało bardzo mało 2 - roztwór stały Cu - Pb - c grafit - inie nie zidentyfikowane faza główna średnio mało bardzo mało 3 - roztwór stały Cu - Pb -c grafit - inie niezidentyfikowane faza główna mało mało mało W wyniku izoacji eektroitycznej próbek uzyskano następujące iości izoatu: próbka 1-1,2o/o, próbka 2-4,4o/o, próbka 3-6,4o/o. Rentgenowska anaiza fazowa tych izoatów wykazała obecność grafitu oraz niezidentyfikowanej fazy, której inie interferencyjne przedstawiono w tab. 3. Tabea 3. Zestawienie inii interferencyjnych niezidentyfikowanych faz występujących w izoatach Lp. dhk I wzg. Lp. dhk I wzg. ($.) (A) 1 4, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,42 10

11 Struktura kompozytu Cu-Pb-''i-c grafit 73 tab. 3. cd. 12 2, , , , , ,34 9 Podsumowanie Badane próbki kompozytu Cu-Pb-''i...C grafit wykazuj \ budowę wieofazową. Osnowę stopu stanowi roztwór stały 1-2% tytanu w miedzi krzepnący w postaci dendrytów, w którym występuj\ wydzieenia faz międzymetaicznych zawierających ołów, tytan i miedź, grafit w postaci płatków oraz cząstki metaicznego ołowiu. Fazy międzymetaiczne zawierające Pb, ''i i Cu występują w postaci drobnych, niereguarnych cząstek o średnicy kiku mikrometrów, jałc również w postaci złożonych wydzieeń o budowie płytkowej. Metodą mikroanaizy rentgenowskiej oznaczono w nich od 23 do 61% Pb i od 14 do 22% ''i oraz miedź jako uzupełnienie do 100%, przy czym źród. łem znacznego rozrzutu wyników są małe rozmiary cząstek. otoczki faz międzymetaicznych wokół płatków grafitu świadczą, że te ostatnie były prawdopodobnie zarodkami krystaizacji kataitycznej da wspomnianych faz międzymetaicznych.