MODYFIKACJA BRĄZU CYNOWEGO CuSn10

Transkrypt

1 15/37 Solidification of Metals and Alloys, No. 37, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 37, 1998 PAN Katowice PL ISSN MODYFIKACJA BRĄZU CYNOWEGO CuSn10 ROMANKIEWICZ Ferdynand, GŁAZOWSKA Izabela, REIF Winfried Instytut Inżynierii Produkcji i Materiałoznawstwa, Politechnika Zielonogórska Zielona Góra, ul. Podgórna 50, POLAND Instytut Metaloznawstwa, Uniwersytet Techniczny D Berlin, Strasse des 17.Juni ABSTRACT Investigations on the modification of tin bronze CuSn10 with Zr additive as well as the complex additives consisting of P-Fe-Zr and Mg-P-Fe-Zr revealed the advantageous influence of these reagents on a structure and properties of the alloy. The modification processes caused the apparent grain refinement and as the consequence the increase of tension strenght of about 20% was achieved. Electron microscopy examinations allowed to identificate heterogeneous crystallization nuclea and to determinate the elements which formed the nuclea. 1. WPROWADZENIE Korzystną zmianę struktury i właściwości stopów metali można osiągać poprzez modyfi-kujące oddziaływanie chemicznymi mikrododatkami na proces pierwotnej krystalizacji odlewów i wlewków. Ma to szczególne znaczenie przy wytwarzaniu odlewów kształtowych ze stopów miedzi. Modyfikacja poprzez rozdrobnienie i ujednorodnienie struktury wpływa korzystnie na zmniejszenie segregacji składników stopowych i domieszek zmniejszając skłonność do pęknięć na gorąco [1,2]. W efekcie korzystnych zmian struktury zabieg modyfikacji wpływa istotnie na poprawę właściwości mechanicznych i użytkowych odlewów [3]. Obszerne badania autorów [3,4] wykazały, że do najskuteczniejszych modyfikatorów stopów miedzi, zwłaszcza brązów cynowych, można zaliczyć cyrkon. Pierwiastek ten tworzy z miedzią i składnikami jej stopów ( cyną, aluminium, krzemem, żelazem i manganem) liczne fazy międzymetaliczne. Tworzy również związki z domieszkami (fosforem i węglem) oraz zanie-

2 114 czyszczeniami stopów miedzi (tlenem i siarką). Łatwo tworzy azotki w trakcie rafinacji stopów miedzi gazowym azotem. Fazy międzymetaliczne i inne związki cyrkonu z wymienionymi pierwiastkami, wskutek trwałości w wysokich temperaturach, mogą spełniać w stopach miedzi rolę ośrodków heterogenicznej krystalizacji powodujących rozdrobnienie struktury tych stopów podczas pierwotnej krystalizacji. Skuteczność modyfikacji stopów miedzi cyrkonem ulega jednak osłabieniu wskutek dużej aktywności chemicznej tego pierwiastka do tlenu, co powoduje częściowe zużycie cyrkonu na odtlenienie stopu i ogranicza jego modyfikujące oddziaływanie [4]. Uzasadnia to modyfikację stopów miedzi cyrkonem po uprzednim lub równoczesnym wprowadzeniu pierwiastków odtleniających. Stwierdzono, że dobrze nadają się do tego celu fosfor i magnez [5]. Fosfor łatwo rozpuszcza się w stopach miedzi zapewniając szybkie i dobre odtlenienie. Magnez natomiast, jako bardzo aktywny odtleniacz, może redukować tlenki cyrkonu aktywizując modyfikujące oddziaływanie cyrkonu. Mikrododatek żelaza z kolei w obecności fosforu, poprzez tworzenie FeP i FeZrP, istotnie zwiększa skuteczność modyfikującego oddziaływania cyrkonu na stopy miedzi. 2. OPIS BADAŃ 2.1.Topienie i modyfikacja Do badań użyto brąz handlowy CuSn10 (B10) o składzie (wg atestu producenta): 10,1%Sn, 0,24%Pb, 0,1%Sb, 0,03%Fe, 0,03%Mn, 0,03%Ni, 0,05%P, po 0,01%Al., As, S, reszta Cu. Zabiegi topienia i modyfikacji przeprowadzono w piecu indukcyjnym IMSK-10, w tyglach grafitowo-szamotowych, pokrytych powłoką izolacyjną. Stop topiono pod warstwą pokrycia ochronnego brązotop. Przeprowadzono wytopy wg programu podanego w tabeli 1. Zabiegi modyfikacji przeprowadzono przy przegrzaniu kąpieli metalowej do C C. W pierwszej kolejności wprowadzano odtleniacze: fosfor w postaci zaprawy CuP12 lub magnez w postaci litych kawałków. Następnie dodawano modyfikator: mikrododatek cyrkonu w postaci zaprawy CuZr30 lub mieszaninę mikrododatków zgodnie z programem wytopów Badania makrostruktury i właściwości mechanicznych. Ocenę wielkości ziarn makrostruktury przeprowadzono metodą zliczania ziarn Jeffriesa- Sałtykowa wg PN-84/H-04507/01. Właściwości mechaniczne oceniano na podstawie wskaźników: wytrzymałości na rozciąganie R m, wydłużenia względnego A 5, wyznaczonych na podstawie pomiarów w statycznej próbie rozciągania zgodnie z PN-91/H-4310 oraz twardości metodą Brinella HB. Pomiar twardości wykonano wg PN-91/H Wyniki pomiarów ilości ziarn na 1 mm powierzchni zgładu metalograficznego oraz właściwości mechanicznych przedstawiono w tabeli 1.

3 115 Tabela 1 Wyniki pomiarów ilości ziarn/mm 2 oraz wskaźników R m, A 5, HB. Rodzaj wytopu Ilość ziarn/mm 2 R m, A 5, HB L z 10-6, m. -2 MPa % bez modyfikacji 0, ,06% Zr a) 2,51 b) 2, ,03% P oraz 0,03% Fe i 0,06% Zr a) 3,98 b) 1, ,03% Mg oraz po 0,03% P, Fe i 0,06% Zr a) 3,55 b) 3, równocześnie po 0,02% Mg, P, Fe a) 3, i 0,04% Zr b) 3, Czas modyfikacji: a) 2 min. b) 30 min Z zestawienia danych zawartych w tabeli 1 wynika, że dla wytopów z zastosowaniem mie- Fosfor i żelazo spowodowały wzrost R m o około10%, wzrost A 5 o 40%. szaniny mikrododatków Mg, P, Fe, Zr, wskaźniki R m, A 5 uległy znacznej poprawie. Natomiast zastosowanie magnezu poprawiło o około 20% w/w wskaźniki. Modyfikacja mikrododatkami Mg, P, Fe, Zr spowodowała silne rozdrobnienie ziarn. Dla wytopów, w których zastosowano magnez rozdrobnienie utrzymuje się 30 minut po modyfikacji. Zdjęcia makrostruktury próbek z wytopu wyjściowego oraz z kolejnych wytopów dla czasu modyfikacji 30 minut przedstawiono na rys Badania ośrodków heterogenicznej krystalizacji Badania przypuszczalnych ośrodków heterogenicznej krystalizacji w modyfikowanym brązie przeprowadzono w Instytucie Metaloznawstwa Uniwersytetu Technicznego w Berlinie. Użyto do tego celu mikroskopu skaningowego z energo-dyspersyjnym spektrometrem rent- genowskim typu DSM 950 Zeiss, wyposażonego w analizator typu Qx200 Link z detektorem litowo-krzemowym. Metodyka badań opisana jest wyczerpująco w opracowaniu [6]. Wyniki przeprowadzonych badań ilustrują przykładowo rys.2 i 3. Usytuowanie ośrodka heterogenicznej krystalizacji w mikrostrukturze brązu CuSn10 ilustruje rys.2. Widoczny w środkowej strefie mikrofotografii ośrodek krystalizacji jest zwarcie połączony z fazą α. Widmo energetyczne pierwiastków występujących w tym ośrodku krystalizacji ilustruje rys.3. Wynika z niego, że w badanej cząstce występują takie pierwiastki jak: cyrkon, żelazo i miedź z niewielkim udziałem magnezu, krzemu i cyny. Nie można również wykluczyć udziału fosforu, gdyż pik widma energetycznego fosforu (2,013keV) pokrywa się z pikiem cyrkonu (2,042keV). Przedstawione widmo energetyczne świadczy o złożonym skła- ośrodka heterogenicznej krystalizacji, którego budowa może również być złożona i nie- dzie jednorodna.

4 116 R ys.1 Zdjęcia makrostruktury brązu CuSn10 - a) stop wyjściowy b), c), d), e) - wytopy wg kolejności w tabeli 1 - czas modyfikacji 30 min. Fig. 1. Macrostructure of tin bronze CuSn10 - a) initial alloy b), c), d), e) subsequent casts as in Table 1 -time of modification 1800 s

5 117 Rys.2 Skaningowy obraz ośrodka heterogenicznej krystalizacji w mikrostrukturze brązu CuSn10 modyfikowanego 0,06% Zr przy udziale po 0,03%Mg, P, Fe. Fig.2. SEM micrograph of heterogeneous crystallization nucleous in microstructure of tin bronze CuSn10 modified by 0,06% Zr with the additives of Mg, P, Fe in the amount of 0,03% Rys.3 Widmo energetyczne pierwiastków występujących w ośrodku heterogenicznej krystalizacji (rys.2) Fig.3. Energy spectrum for elements present in the heterogeneous crystal nucleous

6 118 3.WNIOSKI Z przeprowadzonych badań wynikają następujące wnioski. Dodatek cyrkonu w ilości 0,06% zapewnia korzystne rozdrobnienie struktury i poprawę właściwości mechanicznych brązu CuSn10. Dodatki fosforu, magnezu i żelaza poprawiają skuteczność modyfikującego oddziaływa- wła- nia cyrkonu na brąz CuSn10. Powodują lepsze rozdrobnienie struktury i dalszy wzrost ściwości mechanicznych brązu. Dodatek magnezu wydłuża czas trwania efektów modyfikacji brązu cyrkonem. Badania na mikroskopie skaningowym wykazały, że ośrodki heterogenicznej krystaliza- zawierają takie pierwiastki jak: cyrkon, żelazo i miedź z niewielkim udziałem magnezu, cji krzemu i cyny. LITERATURA [1] Malcev M.: Modificirovanije struktury metallov i splavov, Metallurgia, Moskva [2] Novikov I.I.: Goriacelomkost cvietnych metallov i splavov, Nauka, Moskva [3] Reif W.: Giesserei 1989, nr 2, s.41. [4] Romankiewicz F.: Modyfikacja miedzi i jej niektórych stopów w warunkach procesu meta lurgicznego. Monografia nr 20, WSI, Zielona Góra [5] Głazowska I.: Badania nad poprawą skuteczności i trwałości modyfikacji brązów cynowych. Praca doktorska, Zielona Góra [6] Blumenauer H.: Werkstoffprüfung. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, Stuttgart. 1994