ODDZIAŁYWANIE CZĄSTEK Z FRONTEM KRYSTALIZACJI. E. FRAŚ Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, ul. Reymonta 23

Transkrypt

1 53/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN ODDZIAŁYWANIE CZĄSTEK Z FRONTEM KRYSTALIZACJI STRESZCZENIE E. FRAŚ Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, ul. Reymonta 23 Wykonano badania oddziaływnia cząstek: VC, TiC, NbC, Al 2 O 3, Ti(Zn,Al) 3, (Fe,Mn) 3 Si 2 A 15 oraz krzemianów z frontem krystalizacji w żeliwie, stopach Fe-C-X, Zn-Al, Cu -Al i kompozycie Al -Al 2 O 3. Badania wykazały, że węgliki są wchłaniane przez austenit w żeliwie zaś krzemianó przez grafit kulkowy. Cząstki Al 2 O 3 są odpychane do przestrzeni międzydendrytycznych kompozytu Al -Al 2 O 3, co jest przyczyną ich niejednorodności strukuralnej. Płaski front krystalizacji stopów Al - Cu odpycha (Fe,Mn) 3 Si 2 A 15, które gromadzą na końcu wlewka. Key words: particle/interface interaction, pushing, engulfment 1. WPROWADZENIE W krystalizującej cieczy prawie zawsze znajdują się różnego rodzaju wtrącenia obcych faz stałych, ciekłych lub gazowych, pochodzących ze źródeł znajdujących się na zewnątrz kąpieli lub powstających wskutek różnych reakcji, przebiegających w kąpieli. W układzie cząstka, ciecz i front krystalizacji (rys.1) na cząstkę działa siła wyporu hydrostatycznego F, siła oporu F (wskutek lepkości cieczy przepływającej wokół w η ) oraz siła F σ oddziaływania energii powierzchniowej, gdy cząstka zetknie się z frontem krystalizacji. Siły F i F sprzyją wchłanianiu przez front krystalizacji. η σ Natomiast siła F w, sprzyja odpychaniu (gdy gęstość jest mniejsza od gęstości metalu i front krystalizacji znajduje się pod cząstką). Można stwierdzić, że proces pochłaniania lub odpychania cząstek, przez front krystalizacji, zależy od kierunku i wielkości sił działających na cząstkę. Wtrącenia obce znajdujące się w cieczy, mogą być wchłaniane lub odpychane i zamykane przez przemieszczający się front krystalizacji. W przypadku wchłaniania (rys. 2 i 3), wtrąceń przechodzą do wnętrza kryształu, są równomiernie rozmieszczone w metalu, i otrzymuje się równomierne rozmieszczenie cząstek w osnowie (strukturę homogeniczną). 339

2 ciecz F w cząstka front krystalizacji kryształ F η F Rys. 1. Siły działające na cząstkę w pobliżu frontu krystalizacji Fig. 1. The forces acting on the particle near solidification front Podczas odpychania cząstek przez front krystalizacji, gromadzą się one na froncie (rys.2) i przemieszczają z taką samą prędkością jak front. Przy dużym udziale cząstek o małych wymiarach, stykają się one z sobą i tworzą aglomeraty zamykane w przestrzeniach międzydendrytycznych. Wchłanianie cząstek Odpychanie cząstek Struktura homogeniczna Struktura niehomogeniczna Struktura homogeniczna monokryształu Rys. 2. Oddziaływanie cząstek z frontem krystalizacji i schematy struktury końcowej Fig. 2. Particle/interface interaction and schematics of final structure Wynika stąd, że proces odpychania i zamykania cząstek jest przyczyną niejednorodności struktury materiału przy czym rodzaj niejednorodności zależy od kształtu frontu krystalizacji. Sposób oddziaływania faz obcych z frontem krystalizacji ma istotne znaczenie nie tylko w inżynierii materiałowej lecz również w przechowywaniu (przy niskiej temperaturze) komórek biologicznych. W celu poprawy właściwości mechanicznych kompozytów MMCs, proces ich krystalizacji powinien zapewnić równomierne rozmieszczenie cząstek, aby uniknąć ich skupisk, które działają jako karby. Innymi słowy front krystalizacji powinien wchłaniać, czyli być neutralny względem cząstek. Odwrotne wymagania stawia się natomiast przy otrzymywaniu dobrej jakości monokryształów. Wówczas front krystalizacji powinien być aktywnym względem cząstek, czyli odpychać wtrącenia faz obcych. Pozwala to zgromadzić niepożądane wtrącenia po jednej stronie kryształu i po odcięciu tej części kryształu, otrzymuje się resztę materiału pozbawioną wtrąceń (rys.2). 340

3 Rys. 3. Sekwencja wchłaniania tlenkowej przez front krystalizacji Fe (zdjęcia in situ, współogniskowy mikroskop skaningowy laserowy) Fig. 3. Engulfment sequence of oxide particle by solidification front of Fe (fotos in situ. Confocal Scannig Laser Microscope) 2. METODYKA I WYNIKI BADAŃ Badaniami objęto żeliwo, stopy Zn-Al i Al-Cu oraz kompozyt Al -12 %Al 2 O 3. Wytopy żeliwa wykonano w piecu indukcyjnym. Do kąpieli żeliwa szarego (C = 3.55 %; Si = 2.40 %), wprowadzono dodatki 1% Ti i 1%Nb, zaś do żeliwa sferoidalnego o składzie C = 3,71 %; Si = 2,90 % wprowadzono dodatek 0.08 %V. Stop Zn -25 %Al, wykonano w piecu oporowym, stosując aluminium i cynk wysokiej czstości oraz zabieg modyfikacji zaprawą tytanową. Kompozyt wytworzono metodą mieszania ciekłego aluminium z czastkami Al 2 O 3 a stop Al-3 %Cu, poddano krystalizacji kierunkowej. Przykłady wyników badań metalograficznych pokazują rysunki 4-8. Z badań wynika, że węglików są wchłaniane do dendrytów austenitu w żeliwie z grafitem płatkowym (rys.4 i 5b) lub do otoczek austenitu w żeliwie sferoidalnym (rys. 5a). Cząstki krzemianów są wchłaniane także do grafitu kulkowego (rys. 6). Cząstki Al 2 O 3 są odpychane, gromadzą się i tworzą aglomeraty w przestrzeniach międzydendrytycznych kompozytu Al -12 % Al 2 O 3 (rys. 8a), co jest przyczyną niejednorodności strukuralnej. Płaski front krystalizacji stopów Al.- Cu odpycha (Fe,Mn) 3 Si 2 A 15, które gromadzą na końcu wlewka a po ich usunięciu można otrzymać jednorodny monokryształ (rys.8b). Rys. 4. Cząstki TiC w dendrytach austenitu Fig. 4. Particles of TiC in dendrtes of austenite 341

4 VC Rys. 5. Cząstki VC w żeliwie sferoidalnym oraz NbC w dendrytach austenitu zwykłego żeliwa Fig. 5. Particles of VC in austenite of ductile iron and of NbC in dendrtes of austenite of cast iron Rys. 6. Cząstki wtrąceń w graficie żeliwa sferoidalnego Fig. 6. Particels in graphite of ductile cast iron W niektórych pozycjach literatury [1-3], znalezienie i zidentyfikowanie obcego wtrącenia w danym krysztale, utożsamia się ze znalezieniem i zidentyfikowaniem podkładki do utworzenia zarodka tego kryształu i na tej podstawie wyciąga błędne wnioski odnośnie mechanizmu zarodkowania. Z przedstawionych rozważań, wynika jednak, że nie jest to dowodem wystarczającym do twierdzenia, że wspomniane wtrącenie spełniło rolę podkładki do zarodkowania. Wtrącenie to bowiem może zostać mechanicznie włączone do kryształu (np. rys.7), którego zarodek powstał na innej podkładce. 342

5 a) bb Ti(Zn,Al) Ti(Zn Al) 2 Rys. 7. Cząstki Ti (Zn,Al) 3 w dendrytach stopu Zn -25%Al Fig. 7. Particples of Ti (Zn,Al) 3 in dendrites of Zn-25%Al alloy (Fe,Mn) 3 Si 2 A 15 Al 2 O 3 Rys. 8. Cząstki Al 2 O 3 w przestrzeniach międzydendrytycznych kompozytu Al -Al 2 O 3 Fig. 8. Particles of Al 2 O 3 in interdendritic spaces of composite Al -Al 2 O 3 343

6 3. WNIOSKI Cząstki węglików są wchłaniane do wzrastającego austenitu w żeliwie, zaś krzemianów do grafitu kulkowego. Cząstki Ti (Zn,Al) 3 są wchłaniane do dendrytów w stopach Al.-Zn. Cząstki Al 2 O 3 są odpychane, gromadzą się i tworzą aglomeraty w przestrzeniach międzydendrytycznych aluminium kompozytu Al -12 % Al 2 O 3. Płaski front krystalizacji stopów Al - Cu odpycha (Fe,Mn) 3 Si 2 A 15. LITERATURA [1] A.A.Abel-Hamid: Structure Modification of the α Phase In Zn-Al. Cast Alloy by Microalloying. Zetischrift fur Metallkunde, 1992, vol. 83, p.314. [2] W. Krajewski: Badanie mechanizmu heterogenicznego zarodkowania w wysokoaluminiowych stopach cynku modyfikowanych dodatkiem tytanu. Wydawnictwa Naukowe AGH, Rozprawy Monografie, Kraków,1996, Nr.52. [3] W.Krajewski: Kształtowanie struktury stopów Zn-Al dodatkiem tytanu, AGH, Kraków 2001, rozprawa habilitacyjna. SUMMARY PARTICLES INTEREACTION WITH SOLIDIFICATION FRONT The tests of intereaction of particles namely VC, TiC, NbC, Al 2 O 3, Ti(Zn,Al) 3, (Fe,Mn) 3 Si 2 A 15 and silicates with the solidification front in cast iron, Fe-C-X as well as Cu-Al and composites in Al-Al 2 O 3 system were made. Research proved that carbides are engulfed by austenite in cast iron while sicate partlcles are engulfed by nodules of graphite. Particles of Al 2 O 3 are pushed in interdendritic spaces of Al-Al 2 O 3 composite, what is the cause of structural inhomogenity. Flat solidification front of Al-Cu alloys push particles (Fe,Mn) 3 Si 2 A 15 which are collects at the end of ingot. Recenzował: Prof. Wojciech Kapturkiewicz 344