BADANIA DYLATOMETRYCZNE STOPU Cu-Zn-Al-Si. A. GRZEBYK 1 Instytut Techniki, Uniwersytet Rzeszowski Rzeszów, ul. Rejtana 16A

Transkrypt

1 44/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN BADANIA DYLATOMETRYCZNE STOPU Cu-Zn-Al-Si A. GRZEBYK 1 Instytut Techniki, Uniwersytet Rzeszowski Rzeszów, ul. Rejtana 16A STRESZCZENIE Mosiądze znajdują powszechne zastosowanie, brak jest natomiast jednoznacznego opisu składu fazowego i przemian zachodzących w tych stopach. Badania dylatometryczne, którym został poddany stop Cu-Zn-Al-Si pozwoliły ustalić początek i koniec przemiany, jakie zachodziły podczas nagrzewania. Zapis trzeciej danej jakim jest czas pozwolił określić kinetykę zmiany wydłużenia i temperatury. Key words: 1. WPROWADZENIE Jak wykazały wcześniejsze badania stopy miedzi posiadają szerokie możliwości kształtowania struktury na drodze obróbki cieplnej. Trudności w interpretacji wyników wynikają z nieścisłości dotyczących rzeczywistej budowy układu równowagi, co wiąże się brakiem jednoznacznego opisu przemian zachodzących w tych stopach. Celem badań dylatometrycznych jest wyznaczenie początku i końca przemian fazowych zachodzących w metalu lub jego stopie podczas złożonych zabiegów cieplnych, wyznaczenie współczynników rozszerzalności liniowej lub określenie procesów zachodzących podczas rozmaitych zabiegów obróbki cieplnej przez naśladowanie tych zabiegów w dylatometrze [7]. W stopie poddanym procesom cieplnym związanych w warunkach eksploatacyjnych mogą towarzyszyć dwa rodzaje zmian wymiarowych: - odwracalne, zależne wyłącznie od temperatury określane typową dla danego stopu wartością współczynnika rozszerzalności cieplnej, 1 mgr, taborana@univ.rzeszow.pl.

2 341 - trwałe, które są efektem rozpuszczania składników stopowych w roztworze stałym α. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ Przedmiotem badań był stop do wytworzenia, którego użyto następujące materiały: - stop miedziowo-krzemowy, - miedź elektrolityczna, - aluminium przewodowe, - cynk o czystości E 02 wprowadzony w postaci sztabek. Topienie przeprowadzono w piecu elektrycznym indukcyjnym średniej częstotliwości w tyglu szamotowo-grafitowym o pojemności 10 kg. Próbki do badań dylatometrycznych oraz do badań metalograficznych odlewano do form metalowych. Materiał badawczy stanowiły próbki walcowe o wymiarach przedstawionych na rys.1 i składzie: 2,68% Al, 1,05% Si, 0,08% Fe, 0,038 Mn, 26,04% Zn. 5 mm 1,8 3. METODYKA BADAŃ 20 mm Rys. 1. Kształt i wymiary próbek użytych do badań Fig. 1. Shape and the size of the samples subjected to tests Badania dylatometryczne stopu przeprowadzono na stanowisku skonstruowanym w Zakładzie Materiałoznawstwa Instytutu Techniki WSP w Rzeszowie pod kierunkiem A. Bylicy [7]. Stanowisko to jest zbudowane z trzech bloków: I blok zespół pomiarowy, II blok zespół przetwarzania sygnałów, III blok zespół obróbki danych. Dodatkowo w metodzie tej istnieje także możliwość zapisu trzeciej współrzędnej czasu, co było w stosowanych do tej pory metodach niemożliwe w takiej postaci. Próbki nagrzewano z temperatury wyjściowej otoczenia do temperatury około 810 o C z prędkością V nag. = 0,48 o C/s. Wygrzewano je w tej temperaturze przez 900 s, następnie chłodzono w wodzie. Całe badania dylatometryczne przeprowadzone były w osłonie argonu. Próbki do badań metalograficznych szlifowano na papierach ściernych o coraz drobniejszym ziarnie. Następnie zgłady polerowano na obrotowej tarczy obciągniętej filcem zwilżonym wodną zawiesiną tlenku glinu.

3 342 Mikrostrukturę powstałą w próbkach ujawniono poprzez trawienie odczynnikiem zawierającym FeCl 3 + HCl + H 2 O przez 20 sekund. Mikrofotografie struktur wykonano na skaningowym mikroskopie elektronowym Tesla BS WYNIKI BADAŃ Na podstawie układu równowagi Cu-Zn-Si [9] zgodnie z układem równowagi faz Cu-Al-Si [1,2,4] w trakcie krzepnięcia obserwuje się zachodzące przemiany β α + κ w dalszej kolejności κ α + δ. W stanie po odlaniu badany stop posiadał pakietową strukturę α z ziarnami fazy κ i wydzieleniami faz δ (rys. 3). a) b) Rys. 2. Układy równowagi: a) Cu-Zn-Si, b) Cu-Al.-Si Fig. 2. Equilibrium system: a) Cu-Zn-Si, b) Cu-Al-Si Rys. 3. Mikrostruktura stopu przed badaniami dylatometrycznymi: a) pow. 1000x, b) pow. 4000x Fig. 3. Microstructure of the alloy prior to dilatometric tests: a) 1000x magn., b) 4000x magn.

4 343 Do analizy badań został napisany specjalny program RW-PIEC umożliwiający dokładne opracowanie wyników badań [7]. W wyniku przeprowadzonych badań dylatometrycznych opracowano wykres cieplnej rozszerzalności liniowej (rys. 5). Rzeczywisty współczynnik rozszerzalności obliczono ze wzoru: α = 1 L dl dt gdzie: T temperatura [ o C], L długość próbki [mm]. Skokowe zmiany współczynnika rozszerzalności świadczą o zachodzących w stopie przemianach fazowych. Na podstawie dylatogramu (rys. 4) został określony początek i koniec dl przemiany, pochodna obliczona została z wielomianu 9-go stopnia, którym dt aproksymowano zależność L = f(t). 0, krzywa nagrzewania L=f(T) 2 - pochodna krzywej nagrzewania 0,45 0,40 pochodna dl/dt 0,35 0,30 0,25 0, M 3 =703 0 C 200 M 1 =217 0 C 1 M 3 =537 0 C wydłużenie L, µm temperatura T, 0 C Rys. 4. Przykład wyznaczania temperatury początku i końca przemiany podczas nagrzewania Fig. 4. Example of the temperature determination

5 344 x ,2 współ. rozszerzalności α 1/ 0 C 2,0 1,8 1,6 1,4 1, temperatura T, 0 C Rys. 5. Współczynnik cieplnej rozszerzalności liniowej Fig. 5. Thermal linear expansion coefficients Zapis jednocześnie trzeciej zmiennej (czasu) pozwolił na określenie zmiany wydłużenia (rys. 6) i temperatury (rys. 7) wydłużenie, µm czas, s Rys. 6. Kinetyka zmiany wydłużenia w czasie nagrzewania z zaznaczonymi punktami przemiany Fig. 6. Kinetics of the change in the length during the heat treatment, with the transformation points marked

6 temperatura, 0 C V nag = 0,48 0 C/s czas, s Rys. 7. Kinetyka zmiany temperatury w czasie nagrzewania z zaznaczonymi punktami przemiany Fig. 7. Kinetics of the change in the temperature during the heat treatment, with the transformation points marked Po badaniach dylatometrycznych otrzymano strukturę z fazami δ i κ (rys. 8). Zwiększa się udział korzystnej fazy κ, która poprawia korzystne właściwości wytrzymałościowe z wyraźnie utwardzającym oddziaływaniem fazy δ. 5. WNIOSKI Rys. 8. Mikrostruktura stopu po badaniach dylatometrycznych pow. 2000x Fig. 8. Microstructure of the alloy after dilatometric tests (2000x magn.) W metodzie dylatometrycznej temperaturę przemian fazowych określa się na podstawie krzywych, przedstawiających zmianę długości próbki przy grzaniu lub chłodzeniu. Wykreślenie takiej krzywej we współrzędnych wydłużenie temperatura pozwala ustalić odcinki równomiernego rozszerzania się próbki (umożliwiające

7 346 wyznaczanie współczynników cieplnej rozszerzalności liniowej) oraz załamania się krzywej, świadczące o przemianach zachodzących w stopie, co pozwala ustalić temperaturę przemian fazowych. Wprowadzenie trzeciego parametru czasu umożliwia badanie kinetyki przemian w warunkach izotermicznych. Daje to podstawy do opracowania różnych wykresów czas temperatura przemiana: CTPi, CTPc oraz CTPc CTPi i bliższego poznania kinetyki przemian fazowych β α + κ α + δ. LITERATURA [1] Rzadkosz S., Adamski C., Thiele M.: Wpływ parametrów technologicznych hartowania i odpuszczania na strukturę i właściwości mechaniczne stopów Cu- Al-Si. Sympozjum Naukowe z okazji Dnia Odlewnika ITiMO AGH, Kraków 1986, s [2] Adamski C., Rzadkosz S.: Wpływ wybranych składników stopowych na strukturę i właściwości mechaniczne stopów z układu Cu-Al-Si. Prace Komisji Metalurgiczno-Odlewniczej, PAN, Oddział Kraków 188, nr 38, s. 57. [3] Rzadkosz S.: Analiza przemian fazowych w brązach aluminiowo-krzemowych. Sympozjum Krzepnięcie metali i stopów. PAN, Oddział Katowice 1996, nr 27, s [4] Rzadkosz S.: Die Strukturmarphologie der Cu-Si-Al. Legierungen Archives of Metallurgy, Iss 3v. 42, Kraków [5] Wodecki W.: Analiza struktury i właściwości stopów Cu-Zn-Al-Si. Sympozjum Krzepnięcie metali i stopów. PAN, Oddział Katowice 2000, nr 42, s. 65. [6] Górny Z.: Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT, Warszawa [7] Grzebyk A.: Opracowanie wykresu stali 45 z wykorzystaniem dylatometru i komputera IBM. Praca magisterska, WSP, Rzeszów [8] Dies K.: Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York [9] Fortina C.: Fonderia Italiana, 1970, 5, s SUMMARY DILATOMETRIC TESTS OF CU-ZN-AL-SI ALLOY Although brass alloys are used frequently, there is no consistent description of the phase composition and the transformations occurring within such alloys. Dilatometric tests to which the Cu-Zn-Al-Si alloy was subjected bade it possible to determine the beginning and the end of the transformations, which took place during the heating. Recordings of the third item of data, i.e. time, enabled to determine the kinetics of the change in the length and temperature. Recenzował Prof. Stanisław Rzadkosz