BADANIA WTRĄCEŃ TLENKOWYCH W BRĄZIE KRZEMOWYM CUSI3ZN3MNFE METODĄ MIKROANALIZY RENTGENOWSKIEJ

Transkrypt

1 BADANIA WTRĄCEŃ TLENKOWYCH W BRĄZIE KRZEMOWYM CUSI3ZN3MNFE METODĄ MIKROANALIZY RENTGENOWSKIEJ R. ROMANKIEWICZ, F. ROMANKIEWICZ Uniwersytet Zielonogórski ul. Licealna 9, Zielona Góra 1. Wstęp Jednym z najbardziej uniwersalnych stopów, który w szerokim zakresie może zastępować brązy cynowe w trudnych warunkach eksploatacji jest wieloskładnikowy brąz krzemowo-cynkowo-manganowo-żelazowy CuSi3Zn3MnFe. Stop ten cechuje się zadowalającą odpornością korozyjną i odpornością na ścieranie, a pod względem właściwości mechanicznych przewyższa brązy cynowe ustępując jedynie wysokowytrzymałym brązom aluminiowym. Z tych względów znajduje on szerokie zastosowanie do produkcji części maszyn narażonych na korozję oraz zmienne obciążenia, a także armatury przemysłowej, wodnej i parowej, m. in. korpusów zaworów hydraulicznych i zaworów bezpieczeństwa [1]. Jest również stosowany do produkcji części maszyn dla przemysłu hutniczego, pracujących przy dużych obciążeniach i podwyższonych temperaturach pracy (do 300 C), a także łożysk ślizgowych pracujących przy obciążeniach statycznych (p v = 11,8 MN/m 2 m/s i v max 4 m/s) [2]. Istotną zaletą tego brązu jest jego przydatność do odlewania kokilowego [3]. Do niekorzystnych cech brązu krzemowego można zaliczyć dużą skłonność do rozpuszczania gazów oraz z powodu aktywnych chemicznie składników (krzem, mangan, cynk i żelazo), również skłonność do zażużleń, czyli zanieczyszczenia tlenkami składników stopowych. Jest to przyczyną dotkliwego obniżenia właściwości mechanicznych, korozyjnych i tribologicznych. Z tego względu istnieje potrzeba prowadzenia badań, które pozwolą na określenie rodzaju i morfologii wtrąceń niemetalicznych, co może stanowić dobrą podstawę do doboru odtleniająco-modyfikujących mikrododatków wpływających na doskonalenie struktury i właściwości tego cennego odlewniczego stopu konstrukcyjnego. Ze względów termodynamicznych istnieje możliwość występowania w analizowanym brązie tlenków żelaza, cynku i manganu oraz głównie tlenków krzemu.

2 2. Metodyka i wyniki badań Do badań użyto brązu krzemowo-cynkowo-manganowo-żelazowego CuSi3Zn3MnFe z gąski hutniczej o następującym składzie chemicznym: 3,89% Si; 3,97% Zn; 1,39% Mn; 0,86% Fe; 0,15% Sn; 0,04% Ni; 0,03% Pb; 0,02% Al; 0,01% Sb; 0,01% As; 0,01% Mg; 0,002% Bi; reszta Cu. Badania metalograficzne przeprowadzono pod kątem występujących w brązie wtrąceń tlenkowych. Wykorzystano do tego celu mikroanalizator rentgenowski JXA-50A, przy warunkach pracy: napięcie przyspieszające 25 KV; prąd wiązki A. W tych warunkach granica zdolności rozdzielczej obrazu elektronowego wynosiła m. Granica wykrywalności pierwiastków zawarta była w przedziale 10-2% dla żelaza do 10-1% dla tlenu. Wykonano serię mikrofotografii obrazów elektronowych (SEI, AEI, TOPO i COMPO) oraz obrazów rozkładu powierzchniowego pierwiastków charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego takich pierwiastków jak: miedź, krzem, cynk, mangan, żelazo, aluminium i tlen. Rys. 1. Skaningowy obraz SEI wtrąceń w próbce brązu krzemowego CuSi3Zn3MnFe z gąski hutniczej Rys. 2. Skaningowy obraz AEI wtrąceń w próbce brązu krzemowego CuSi3Zn3MnFe z gąski hutniczej

3 Rys. 3. Skaningowy obraz TOPO wtrąceń w próbce brązu krzemowego CuSi3Zn3MnFe z gąski hutniczej Rys. 4. Skaningowy obraz COMPO wtrąceń w próbce brązu krzemowego CuSi3Zn3MnFe z gąski hutniczej Wyniki badań ilustrują rysunki Rys. 1 prezentuje obraz wtrąceń tlenkowych jako obraz elektronów wtórnych (SEI). Rys. 2 przedstawia obraz wtrąceń tlenkowych jako obraz absorpcyjny informujący o topografii składu chemicznego (AEI), a rys. 3 prezentuje obraz topografii powierzchni wtrąceń (TOPO). Rys. 4 prezentuje niejednorodność składu chemicznego wtrąceń (COMPO). Rysunki 5-10 ilustrują liniowy rozkład takich pierwiastków jak: żelazo (rys. 5), mangan (rys. 6), aluminium (rys. 7), tlen (rys. 8), krzem (rys. 9) i cynk (rys. 10).

4 Rys. 5. Skaningowy obraz (COMPO) wtrąceń w próbce ilustrujący liniowy rozkład Fe Rys. 6. Skaningowy obraz (COMPO) wtrąceń w próbce ilustrujący liniowy rozkład Mn Rys. 7. Skaningowy obraz (COMPO) wtrąceń w próbce ilustrujący liniowy rozkład Al

5 Rys. 8. Skaningowy obraz (COMPO) wtrąceń w próbce ilustrujący liniowy rozkład O Rys. 9. Skaningowy obraz (COMPO) wtrąceń w próbce ilustrujący liniowy rozkład Si Rys. 10. Skaningowy obraz (COMPO) wtrąceń w próbce brązu krzemowego CuSi3Zn3MnFe z gąski hutniczej ilustrujący liniowy rozkład Zn

6 Rys. 11. Powierzchniowy rozkład żelaza w brązie Rys. 12. Powierzchniowy rozkład manganu w brązie Rys. 13. Powierzchniowy rozkład aluminium w brązie

7 Rys. 14. Powierzchniowy rozkład tlenu w brązie Rys. 15. Powierzchniowy rozkład krzemu w brązie Rys. 16. Powierzchniowy rozkład cynku w brązie Rysunki ilustrują powierzchniowy rozkład następujących pierwiastków: żelaza (rys. 11), manganu (rys. 12), aluminium (rys. 13), tlenu (rys. 14), krzemu (rys. 15) i cynku (rys. 16).

8 3. Analiza wyników badań Przedstawione wyniki badań dowodzą, że w badanym brązie krzemowym występują złożone wtrącenia tlenkowe składające się głównie z tlenków żelaza, krzemu, manganu i aluminium, co potwierdzają obrazy powierzchniowego rozkładu pierwiastków (rys ). Nie stwierdzono natomiast dostrzegalnej obecności tlenków miedzi oraz cynku. Wtrącenia tlenków żelaza, krzemu, manganu i aluminium wykazywały rozmiary (0,3-1,8) 10-6 m, natomiast ich kompleksowe skupiska osiągały rozmiary (25-35) 10-6 m. Na podstawie wyników badań można określić pierwiastki mogące spełniać rolę skutecznych odtleniaczy dla brązu krzemowo-cynkowo-manganowego. Z dokonanej przez autorów analizy termodynamicznej wynika, że obecne w badanym brązie tlenki mogą być redukowane przez takie pierwiastki jak: cyrkon, lit, magnez, beryl oraz wapń. Uwzględniając trudności techniczne związane z silna reaktywnością litu ze składnikami atmosfery (tlenem i wilgocią) oraz trudności związane z wtapianiem litu do kąpieli metalowej przy braku odpowiednich stopów wstępnych, występują ogromne trudności przy praktycznym stosowaniu tego metalu. Stosowanie magnezu do odtleniania stopów miedziowo-krzemowych w ilości powyżej 0,02% powoduje wg S. Rzadkosza [4] zmniejszenie właściwości wytrzymałościowych oraz zwiększenie kruchości stopów. Zastosowanie berylu jest utrudnione z powodu silnej toksyczności tego metalu oraz jego wysokiej ceny. Nasuwa się zatem wniosek, że dobrymi odtleniaczami badanego brązu krzemowego, jak również innych stopów miedziowo-krzemowych mogą być takie metale jak: cyrkon oraz wapń. Stosowanie tych metali do odtleniania brązów krzemowych jest uzasadnione również tym, iż wg wcześniejszych badań autorów [5] spełniają one rolę modyfikatorów wywołujących rozdrobnienie struktury stopów miedzi, co w odniesieniu do cyrkonu potwierdziły również badania S. Rzadkosza [4]. O przewadze cyrkonu nad wapniem decyduje łatwiejsza dostępność wstępnych stopów miedź-cyrkon. 4. Wnioski Badania wtrąceń niemetalicznych w brązie krzemowo-cynkowo-manganowym CuSi3Zn3MnFe przeprowadzone metodą mikroskopii elektronowej i mikroanalizy rentgenowskiej wykazały, że wtrącenia te stanowią złożone tlenki krzemu, żelaza, manganu i aluminium. Stanowi to dobrą podstawę do wskazania wapnia, a zwłaszcza cyrkonu jako metali zalecanych do odtleniania brązów krzemowych. LITERATURA [1] Adamski Cz., Bonderek Z., Piwowarczyk F.: Mikrostruktury odlewniczych stopów miedzi oraz cynku, Wyd. Śląsk, Katowice, [2] Tokarski M.: Metaloznawstwo metali i stopów nieżelaznych w zarysie, Wyd. Śląsk, Katowice, [3] Górny Z., Sobczak J.: Nowoczesne tworzywa odlewnicze na bazie metali nieżelaznych, ZA-PIS, Kraków, [4] Rzadkosz S.: Odlewnictwo miedzi i jej stopów, Wyd. Odlewnictwa AGH, Kraków, [5] Romankiewicz F.: Modyfikacja miedzi i jej stopów, Komisja Nauki o Materiałach PAN, Oddział w Poznaniu, Politechnika Zielonogórska, Poznań-Zielona Góra, 1999.