KRYSTALIZACJA I MIKROSTRUKTURA BRĄZU CuAl10Fe5Ni5 PO RAFINACJI

Transkrypt

1 55/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN KRYSTALIZACJA I MIKROSTRUKTURA BRĄZU CuAl10Fe5Ni5 PO RAFINACJI S. PIETROWSKI 1, J. KAZIMIERCZAK 2 Katedra Systemów Produkcji Politechnika Łódzka ul. Stefanowskiego 1/15, Łódź STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu różnych rafinatorów na krystalizację i mikrostrukturę brązu aluminiowo żelazowo niklowego. Wykazano, że rafinatory wpływają nie tylko na krystalizację brązu, ale również na wielkość fazy, jej ułożenie Widmanstättena oraz występowanie oprócz faz Al 3 Fe i Al 3 Ni również roztworu stałego żelaza z rozpuszczonymi w nim: Al, Mn i Ni. W brązie rafinowanym 1% H 3 BO 3 + 2% S występują siarczki (MnCu)S oraz (MnCuAl)S. Key words: CuAl10Fe5Ni5 bronze, refining, TDA, microstructure. 1. WSTĘP Oddziaływanie rafinatorów na krystalizację i mikrostrukturę brązu CuAl10Fe5Ni5 jest mało poznane. Bardzo uogólnione dane zawierają prace [1-3]. Szersze wyniki badań dotyczące oddziaływania różnych rafinatorów na krystalizację, mikrostrukturę i porowatość brązu CuAl10Fe5Ni5 przedstawiono w pracy [4]. Celem niniejszej pracy było wykazanie wpływu rafinatorów stosowanych obecnie tj. berylu i Bronoxalu oraz nowego 1% H 3 BO 3 + 2% S opracowanego w Katedrze Systemów Produkcji Politechniki Łódzkiej i ich mieszaniny na krystalizację i mikrostrukturę brązu CuAl10Fe5Ni5. 1 prof. zw. dr hab. inż., spietrow@mail.p.lodz.pl 2 mgr inż., kazimierczakjolanta@o2.pl 477

2 METODYKA BADAŃ Do badań zastosowano brąz handlowy CuAl10Fe5Ni5, którego skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanego brązu Table 1. The chemical composition of testing bronze. Znak Skład chemiczny, % CuAl10Fe5Ni5 reszta Cu Al Fe Ni Mn Zn Mg Si 9,72 4,29 4,75 0,42 0,20 0,01 0,09 Skład chemiczny, % Bi As Sn Sb S Pb P 0,001 0,005 0,096 0,019 0,02 0,027 0,001 Brąz rafinowano (udział procentowy od masy ciekłego brązu w piecu): 0,1% berylu, 0,5% Bronoxalu, mieszaniną 1% H 3 BO 3 + 2% S, mieszaniną 0,1% Be + 1% H 3 BO 3 + 2% S, mieszaniną 0,5% Bronoxalu + 1% H 3 BO 3 + 2% S. Brąz przetapiano w laboratoryjnym piecu indukcyjnym tyglowym o pojemności tygla 1,5 kg. Po roztopieniu i przegrzaniu brązu do 1400 C 10 C usuwano żużel, a następnie wprowadzano odpowiednią ilość rafinatora. Czas rafinacji wynosił 10 min. Następnie usuwano żużel i zalewano próbnik ATD do analizy termicznej i derywacyjnej. Próbki do badań metalograficznych wycinano z środkowej części odlewu z ATD. Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie optycznym Epityp przy powiększeniu x100 i x400 oraz skaningowym firmy Jeol. Mikroanalizę liniową, punktową i powierzchniową rozkładu pierwiastków wykonano na mikroanalizatorze rentgenowskim firmy Jeol o średnicy wiązki 0,5 m. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 1 6 (a-c) przedstawiono krzywe ATD, charakterystyczne wielkości i mikrostrukturę brązu nierafinowanego (rys. 1) oraz rafinowanego: 0,1% Be (rys. 2), 0,5% Bronoxalu (rys. 3), mieszaniną 1% H 3 BO 3 + 2% S (rys. 4), 0,1% Be + 1% H 3 BO 3 + 2% S (rys. 5) i 0,5% Bronoxalu + 1% H 3 BO 3 + 2% S (rys. 6). Z ich analizy wynika, że rafinacja brązu 0,1% Be (rys. 2) podniosła temperaturę krystalizacji fazy i obniżyła eutektyki + w porównaniu z brązem nierafinowanym (rys. 1), nie zmieniając jego mikrostruktury.

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) t, C B D AC E G J F H dt/d C/s dt/d = f'( ) t = f( ) s -4 Punkt A B C D J E F G H t, ºC , s dt/d, ºC/s -0,107-0,136-0,302-0,152-1,607-0,861-1,147-0,996-1,035 b) c) 10 m 40 m Mikrostruktura: faza, eutektyka +, wydzielenia: Al 3 Fe, Al 3 Ni oraz FeAlMnNi. Rys. 1. Krzywe ATD z opisem punktów charakterystycznych (a) oraz mikrostruktura (b, c) brązu aluminiowego nierafinowanego Fig. 1. TDA curves with the description of characteristic points (a) and the microstructure (b, c) of non-refining aluminum bronze. 479

4 a) t, C AB D C E G J F H dt/d C/s dt/d = f'( ) t = f( ) s -4 Punkt AB C D J E F G H t, ºC , s dt/d, ºC/s -0,134-0,223-0,172-1,496-0,773-1,106-0,984-1,000 b) c) 10 m 40 m 480 Mikrostruktura: faza, eutektyka +, wydzielenia: Al 3 Fe, Al 3 Ni oraz FeAlMnNi. Rys. 2. Krzywe ATD z opisem punktów charakterystycznych (a) oraz mikrostruktura (b, c) brązu aluminiowego rafinowanego 0,1% Be Fig. 2. TDA curves with the description of characteristic points (a) and the microstructure (b, c) of aluminum bronze refining 0,1% Be.

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) t, C B D A C E G J F H dt/d C/s dt/d = f'( ) t = f( ) s -4 Punkt A B C D J E F G H t, ºC , s dt/d, ºC/s -0,247-0,142-0,244-0,134-1,670-1,046-1,214-1,076-1,132 b) c) 10 m 40 m Mikrostruktura: faza, eutektyka +, wydzielenia: Al 3 Fe, Al 3 Ni oraz FeAlMnNi. Rys. 3. Krzywe ATD z opisem punktów charakterystycznych (a) oraz mikrostruktura (b, c) brązu aluminiowego rafinowanego 0,5% Bronoxalu Fig. 3. TDA curves with the description of characteristic points (a) and the microstructure (b, c) of aluminum bronze refining 0,5% Bronoxal. 481

6 a) t, C AB C D E G J F H dt/d C/s dt/d = f'( ) t = f( ) s -4 Punkt AB C D J E F G H t, ºC , s dt/d, ºC/s -0,014-0,138-0,086-2,100-1,702-1,568-1,259-1,264 b) c) 10 m 40 m 482 Mikrostruktura: faza, eutektyka +, wydzielenia: Al 3 Fe, Al 3 Ni, FeAlMnNi, (MnCu)S oraz (MnCuAl)S. Rys. 4. Krzywe ATD z opisem punktów charakterystycznych (a) oraz mikrostruktura (b, c) brązu aluminiowego rafinowanego 1% H 3 BO 3 + 2% S Fig. 4. TDA curves with the description of characteristic points (a) and the microstructure (b, c) of aluminum bronze refining 1% H 3 BO 3 + 2% S.

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) t, C AB C D E G J F H dt/d C/s dt/d = f'( ) t = f( ) s -4 Punkt AB C D J E F G H t, ºC , s dt/d, ºC/s 0,080-0,443-0,026-1,888-0,206-1,473-1,153-1,172 b) c) 10 m 40 m Mikrostruktura: faza, eutektyka +, wydzielenia: Al 3 Fe, Al 3 Ni, FeAlMnNi, (MnCu)S oraz (MnCuAl)S. Rys. 5. Krzywe ATD z opisem punktów charakterystycznych (a) oraz mikrostruktura (b, c) brązu aluminiowego rafinowanego 0,1% Be + 1% H 3 BO 3 + 2% S Fig. 5. TDA curves with the description of characteristic points (a) and the microstructure (b, c) of aluminum bronze refining 0,1% Be + 1% H 3 BO 3 + 2% S. 483

8 a) t, C AB D C E J F G H dt/d C/s dt/d = f'( ) t = f( ) s -4 Punkt AB C D J E F G H t, ºC , s dt/d, ºC/s 0,002-0,383-0,004-1,949-0,689-1,462-1,161-1,210 b) c) 10 m 40 m 484 Mikrostruktura: faza, eutektyka +, wydzielenia: Al 3 Fe, Al 3 Ni, FeAlMnNi, (MnCu)S oraz (MnCuAl)S. Rys. 6. Krzywe ATD z opisem punktów charakterystycznych (a) oraz mikrostruktura (b, c) brązu aluminiowego rafinowanego 0,5% Bronoxalu + 1% H 3 BO 3 + 2% S Fig. 6. TDA curves with the description of characteristic points (a) and the microstructure (b, c) of aluminum bronze refining 0,5% Bronoxal + 1% H 3 BO 3 + 2% S.

9 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rafinacja brązu 0,5% Bronoxalu (rys. 3) obniżyła temperaturę krystalizacji fazy i podniosła eutektyki + w porównaniu z rafinowanym 0,1% Be (rys. 2). Temperatury te są wyższe niż w przypadku brązu nierafinowanego (rys. 1). Rafinacja 0,5% Bronoxalu spowodowała również zwiększenie wydzieleń fazy w porównaniu z poprzednimi wytopami. Dalszy wzrost wydzieleń fazy oraz niższą temperaturę krystalizacji brązu, ale wyższą jej zakończenia spowodowała rafinacja mieszaniną 1% H 3 BO 3 + 2% S (rys. 4). Rafinacja brązu mieszaniną 0,1% Be + 1% H 3 BO 3 + 2% S lub 0,5% Bronoxalu + 1% H 3 BO 3 + 2% S spowodowała najniższe temperatury krystalizacji (rys. 5 i 6). W konsekwencji w obu przypadkach rafinacji tworzy się różnej wielkości faza ułożona częściowo w układzie Widmanstättena (rys. 5b i 6b). Liniowy rozkład Cu, Al, Ni, Fe i Mn w reprezentatywnym mikroobszarze brązu rafinowanego 0,1% Be pokazano na rysunku 7 (a-f). Wynika z niego, że oprócz faz Al 3 Fe i Al 3 Ni w brązie występują bardzo drobne wydzielenia o wielkości około 5 m, których głównym składnikiem jest żelazo. Oprócz niego występuje w nich: Al, Mn i Ni. Wydzielenia te tworzą liniowe skupiska w pobliżu granic ziarn eutektyki jak to pokazano przykładowo na rysunku 8. W brązie rafinowanym mieszaniną 0,5% Bronoxalu + 1% H 3 BO 3 + 2% S pojawiły się dodatkowe wydzielenia. Na rysunku 9 (a-k) przedstawiono mikrostrukturę tego brązu i stężenie pierwiastków w punktach zaznaczonych nr 1-10 w różnych wydzieleniach. Wynika z niego, że w brązie występują dwa rodzaje siarczków, mianowicie: (MnCu)S (punkty 1;2 i 6) oraz (MnCuAl)S (punkt 5). Znamiennym jest brak żelaza w tych siarczkach. Oprócz siarczków występuje faza żelazowa inna od pokazanej na rys. 7, o budowie blokowej zawierająca niewielkie ilości Mn i Ni (punkty 3 i 4). W fazie jest największe stężenie aluminium i prawie o połowę mniej żelaza oraz niklu (punkty 7 i 8). W fazie jest największe stężenie Al, a następnie Ni (punkty 9 i 10). Oprócz nich występują także niewielkie ilości Fe i Mn. Przedstawione wyniki badań potwierdziła również mikroanaliza rozkładu powierzchniowego Al, Mn, Fe, Ni, Cu i S pokazana na rysunku 10. a) 485

10 b) c) 486

11 ARCHIWUM ODLEWNICTWA d) e) 487

12 f) Rys. 7. Mikrostruktura z analizowanym odcinkiem (a) liniowego rozkładu Cu (b), Al (c), Ni (d), Fe (e) i Mn (f) w brązie rafinowanym 0,1% Be Fig. 7. The microstructure with analyzed interval (a) of linear distribution of Cu (b), Al (c), Ni (d), Fe (e) and Mn (f) in bronze refining 0,1% Be Rys. 8. Mikrostruktura brązu po rafinacji 0,1% Be. Fazy:, eutektyka +, Al 3 Fe, Al 3 Ni oraz FeAlMnNi Fig. 8. The microstructure of bronze after refining 0,1% Be., + eutectic phase, Al 3 Fe, Al 3 Ni and FeAlMnNi phases. 488

13 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) Punkt 1 Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: Live Time: 60 seconds Dead Time: Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err. (calc.) Wt % (1-Sigma) S -K / Mn-K / Cu-K / Total

14 c) Punkt 2 Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: Live Time: 60 seconds Dead Time: Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err. (calc.) Wt % (1-Sigma) S -K / Mn-K / Cu-K / Total d) Punkt 3 Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: Live Time: 60 seconds Dead Time: Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err. (calc.) Wt % (1-Sigma) Mn-K / Fe-K / Ni-K / Total

15 ARCHIWUM ODLEWNICTWA e) Punkt 4 Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: Live Time: 60 seconds Dead Time: Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err. (calc.) Wt % (1-Sigma) Mn-K / Fe-K / Ni-K / Total f) Punkt 5 Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: Live Time: 60 seconds Dead Time: Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err. (calc.) Wt % (1-Sigma) S -K / Mn-K / Cu-K / Al-K / Total

16 g) Punkt 6 Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: Live Time: 60 seconds Dead Time: Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err. (calc.) Wt % (1-Sigma) S -K / Mn-K / Cu-K / Total h) Punkt 7 Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: Live Time: 60 seconds Dead Time: Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err. (calc.) Wt % (1-Sigma) Al-K / Fe-K / Ni-K / Cu-K / Total

17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA i) Punkt 8 Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: Live Time: 60 seconds Dead Time: Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err. (calc.) Wt % (1-Sigma) Al-K / Fe-K / Ni-K / Cu-K / Total j) Punkt 9 Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: Live Time: 60 seconds Dead Time: Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err. (calc.) Wt % (1-Sigma) Al-K / Fe-K / Ni-K / Cu-K / Mn-K / Total

18 k) Punkt 10 Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: Live Time: 60 seconds Dead Time: Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err. (calc.) Wt % (1-Sigma) Al-K / Fe-K / Ni-K / Cu-K / Total Rys. 9. Mikrostruktura (a) i stężenie pierwiastków w punktach 1 10 (b-k) poszczególnych faz brązu rafinowanego mieszaniną 0,5% Bronoxalu + 1% H 3 BO 3 + 2% S Fig. 9. The microstructure (a) and the elements concentration in 1 10 points (b-k) of individual phases of bronze refining 0,5% Bronoxal + 1% H 3 BO 3 + 2% S. 494 Rys. 10. Powierzchniowy rozkład pierwiastków w mikroobszarze brązu rafinowanego mieszaniną 0,5% Bronoxalu + 1% H 3 BO 3 + 2% S Fig. 10. The superficial distribution of elements in the micro range of bronze refining 0,5% Bronoxal + 1% H 3 BO 3 + 2% S.

19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 4. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy danych wynikają następujące wnioski: rafinacja brązu berylem podnosi temperaturę krystalizacji fazy i obniża eutektyki + w porównaniu z brązem nierafinowanym, Bronoxal podnosi te temperatury, natomiast 1% H 3 BO 3 + 2% S oraz mieszanina 1% H 3 BO 3 + 2% S z berylem lub Bronoxalem obniża je, rafinacja berylem nie zmienia mikrostruktury brązu, rafinacja Bronoxalem i 1% H 3 BO 3 + 2% S zwiększa wielkość wydzieleń fazy w brązie, a mieszanina berylu lub Bronoxalu z 1% H 3 BO 3 + 2% S znacznie różnicuje wielkość fazy i powoduje budowę Widmanstättena, w brązie występują dwa rodzaje wydzieleń fazy żelazowej zawierającej niewielkie ilości Al, Mn i Ni lub tylko Mn i Ni, w brązie rafinowanym 1% H 3 BO 3 + 2% S występują dwa rodzaje siarczków: (MnCu)S i (MnCuAl)S. LITERATURA [1] Adamski C., Bonderek Z., Piwowarczyk T.: Mikrostruktury odlewniczych stopów miedzi oraz cynku. Wydawnictwo Śląsk, Katowice, [2] Tokarski M.: Metaloznawstwo metali i stopów nieżelaznych w zarysie. Wydawnictwo Śląsk, Katowice, [3] Górny Z.: Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. Przygotowanie ciekłego metalu, struktura i właściwości odlewów. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, [4] Kazimierczak J.: Możliwość oceny wybranych elementów jakości brązów aluminiowych metodą analizy termicznej i derywacyjnej. Praca magisterska, Politechnika Łódzka, Łódź,

20 CRISTALLIZATION AND THE MICROSTRUCTURE OF CuAl10Fe5Ni5 BRONZE AFTER REFINING SUMMARY In this paper results of influence of various refiners on the crystallization and the microstructure of aluminum-iron-nickel bronze have been presented. It was shown, that refiners have the influence on the bronze crystallization and on the size of phase, its Widmanstätten s arrangement and the occurance Al 3 Fe and Al 3 Ni phases and solid solution of iron with Al, Mn and Ni too. In the bronze refining of 1% H 3 BO 3 + 2% S occur (MnCu)S and (MnCuAl)S sulfides. Recenzował: prof. dr hab. inż. Ferdynand Romankiewicz 496