SEGREGACJA SREBRA PODCZAS KRYSTALIZACJI KIERUNKOWEJ STOPU Al-Ag-Cu

Transkrypt

1 26/15 Archives of Foundry, Year 2005, Volume 5, 15 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2005, Rocznik 5, Nr 15 PAN Katowice PL ISSN SEGREGACJA SREBRA PODCZAS KRYSTALIZACJI KIERUNKOWEJ STOPU Al-Ag-Cu Z. KONOPKA 1, S. NOCUŃ 2, A. ZYSKA 3, A. BOBER 4, M. CISOWKSA-ŁĄGIEWKA 5 Politechnika Częstochowska, Katedra Odlewnictwa, al. Armii Krajowej 19, Częstochowa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono segregację srebra występującą podczas krystalizacji kierunkowej potrójnego stopu Al-Ag-Cu, oraz jej wpływ na stabilność frontu krystalitzacji podczas krystalizacji kierunkowej. Badania wykazały silną segregację Ag zarówno w fazie α(al) w stopie, jak i w cieczy przed frontem krystalizacji. Segregacja ta nie wpływa bezpośrednio na parametry struktury, jednakże zauważony został dość silny jej wpływ na stabilność frontu krystalizacji Keywords: unidirectional solidification, ternary alloy, segregation, silver, 1. WSTĘP Układ potrójny Al-Ag-Cu należy do grupy układów modelowych. Stopem wyjściowym dla uzyskania wpływu trzeciego składnika stopowego jest dobrze poznany układ podwójny Al-Cu. Już niewielkie ilości dodatku srebra jako trzeciego składnika pozwoliło na bardziej szczegółowe zbadanie procesu krystalizacji, gdyż obserwowane zmiany struktury były dużo bardziej wyraźne, niż ma to miejsce np. w stopie przemysłowym Al-Cu-Mg [3, 5]. Przeprowadzone wcześniej badania wykazały, że choć obecność srebra nie wpływa bezpośrednio na zmiany najbardziej charakterystycznych parametrów strukt u- ry, jak odległość międzypłytkowa λ [4, 8], udział objętościowy faz w stopie [9], to z 1 dr hab. inż., prof. PCz., konopka@mim.pcz.czest.pl 2 mgr inż., snocun@mim.pcz.czest.pl 3 dr inż., zyska@mim.pcz.czest.pl 4 mgr inż., bober@mim.pcz.czest.pl 5 mgr inż., cis@mim.pcz.czest.pl

2 217 drugiej strony jego segregacja bezpośrednio wpływa kształt frontu krystalizacji oraz na jego stabilność. 2. METODYKA BADAŃ Modelowanie struktury przeprowadzono przy wykorzystaniu procesu krystalizacji kierunkowej stopu Al 59%, Ag 15%, Cu 26% w piecu Bridgemana. Uprzednio wykonany odlew prętów o wymiarach Ø7,8mm 20mm, będący jednocześnie ws a- dem dla przeprowadzenia krystalizacji kierunkowej, został poddany analizie chemicznej w celu sprawdzenia występowania segregacji któregoś ze składników, a następnie umieszczony w specjalnym tyglu grafitowym, w płaszczu którego umieszczono 8 te r- moelementów równo rozmieszczonych na jego wysokości. Zebrane dane temperaturowe posłużyły wyznaczeniu gradientu G [8, 9]. Badania mikrostruktury przeprowadzano na próbkach zarówno wzdłużnych jak i poprzecznych wyciętych z prętów w odstępach 1,5mm począwszy od granicy frontu krystalizacji w kierunku przeciwnym do jego wzrostu. Obserwację mikrostruktury przeprowadzano na mikroskopie świetlnym oraz na mikroskopie skaningowym wyposażonym w analizator rentgenowski EDX, który wykorzystano przy przeprowadzaniu badań składu chemicznego poszczególnych faz. 3. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA Rys. 1. Przekrój wzdłużny próbki z zaznaczonymi miejscami przeprowadzonych badań z wykorzystaniem analizatora EDX. Fig.1. Longitudinal section with EDX measurement marked points.

3 Zawartość Ag w fazie (Al) [%wag.] 218 Przeprowadzono pomiary składu chemicznego fazy α(al), w której rozpuszcza się w dość szerokim zakresie srebro zarówno w centrum próbki jak i posuwając się w kierunku brzegów. Na rys. 1 przedstawiono przekrój wzdłużny próbki, na którym zaznaczono miejsca dokonania badań składu chemicznego fazy α(al) tabela 1. Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów EDX ilości srebra w fazie α(al). Table 1. Results of EDX measurements of the silver contents in the phase α(al) Numer pomiaru Zawartość Ag (%wag.) Zawartość Ag(%at.) 1 19,09 5, ,94 6, ,79 6, ,80 11,78 Podobny przebieg zmiany koncentracji srebra w fazie α(al) jak wykazane w tabeli 1, występowały w przypadku przekrojów poprzecznych próbek na każdej z trzech głębokościach począwszy od granicy frontu. Nie zauważono wpływu prędkości krystalizacji kierunkowej na uśrednione wartości koncentracji srebra w fazie α(al) w poszczególnych próbach (Rys. 2). Centrum próbki Krawędź próbki x x x x x x10-7 Szybkość krystalizacji u [m/s] Rys. 2. Wykres zależności koncentracji srebra w fazie α(al) wyznaczonym w centrum próbki i jej krawędzi dla różnych prędkości krystalizacji kierunkowej Fig 2. Relation between the concentration of Ag in the phase α(al) and the solidification velocity u

4 219 Zbadano zawartość srebra w zamrożonej podczas przeprowadzenia krystalizacji kierunkowej cieczy zarówno przed frontem krystalizacji jak i pomiędzy komórkami utworzonymi przy wyższych prędkościach krystalizacji kierunkowej. Rys. 3. Mikrofotografia przedstawiająca wydłużone komórki z zamrożoną cieczą o składzie zbliżonym do punktu potrójnego układu Al-Ag-Cu Fig. 3. Structure shows elongated cells with frozen liquid between which chemical composition is close to the ternary point of Al-Ag-Cu system W pierwszym przypadku zaobserwowano zgodnie z teorią rozkład stężenia srebra, który maleje ekspotencjalnie oddalając się od granicy podziału metal-ciecz aż do uzyskania swej nominalnej wartości w pewnej odległości od frontu krystalizacji. Badania składu chemicznego zamrożonej cieczy pozwalają stwierdzić silne skoncentrowanie srebra między komórkami eutektyki α(al) i θ(al 2 Cu). Zmiana koncentracji srebra między komórkami kieruje się w stronę potrójnego punktu eutektyki układu Al-Ag-Cu (38,6%wag. Ag), co za tym idzie w kierunku punktu o najniższej temperat u- rze krzepnięcia, dzięki czemu zaobserwować można bardzo wydłużony kształt komórek (rys. 2) 4. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania z różnymi prędkościami krystalizacji kierunkowej wykazały, iż sam parametr prędkości nie wpływa na wielkość segregacji srebra zaró w- no na froncie krystalizacji jak i w cieczy przed frontem. Sama segregacja powoduje jednak zakłócenie stabilności frontu krystalizacji. W próbkach z początkowo mniejszą zawartością srebra (16%wag) granica prędkości występowania płaskiego frontu krystalizacji zawiera się w przedziale otwartym

5 220 5, , m/s. Natomiast próbki zawierające większą ilość srebra wykazują większą stabilność frontu krystalizacji i granica przejścia frontu krystalizacji od płaskiego do komórkowego zawiera się w wyższych przedziałach prędkości krystalizacji kierunkowej: 24,5%wag Al 6, , m/s; 27,5%wag. Ag 1, m/s [4]. Efekt ten jest widoczny na rys. 3 gdzie przedstawiona jest mikrostruktura zawierająca dwa typy frontu krystalizacji: po lewej stronie jest to front komórkowy (centrum próbki) natomiast bliżej krawędzi widoczny jest płaski front krystalizacji. O ile w układach podwójnych destabilizacja frontu krystalizacji zależna jest między innymi od zanieczyszczeń stałych bądź gazowych o tyle w przypadku układów potrójnych mamy do czynienia w większości przypadków z niestabilnością Mullinsa- Sekerki[1, 2, 7], która w tym przypadku określa się poprzez występowanie dużej segregacji składnika stopowego w cieczy przed frontem krystalizacji. Rys. 4. Mikrofotografia pokazująca przejście od komórkowego do płaskiego frontu krystalizacji pod wpływem zmiany koncentracji Ag w cieczy. Fig. 4. Structure shows transition from cellular to planar interface as a succession of increase of Ag contents in the liquid Przeprowadzone badania potwierdzają, iż srebro w znacznym stopniu zmienia swą koncentrację w cieczy przed frontem krystalizacji w kierunku normalnym do frontu. Również na skutek grawitacji, srebro kieruje się wzdłuż granicy podziału metalciecz oddalając się od centrum próbki w kierunku jej brzegów, co powoduje, iż zmiana zawartości srebra w cieczy występuje nie tylko w kierunku normalnym, ale również poprzecznie od centrum próbki.

6 221 LITERATURA [1] Kurz W., Fisher, D.J.: Fundamentals of solidification, Trans Tech Publications, Third Edition, Switzerland, [2] Fraś E.: Krystalizacja metali, WNT, Warszawa 2003 [3] Hecht U., Gránásy L., Pusztai T., Böttger B., Apel M., Witusiewicz V., Ratke L., De Wilde J., Froyen L., Camel D., Drevet B., Faivre G., Fries A.G., Legendre B., Rex S.: Multiphase solidification in multicomponent alloys, Materials Science and Engineering R46 (2004). [4] De Wilde J., Froyen L., Rex S.: Coupled two-phase [α(al)+θ(al 2 Cu)] planar growth and destabilization along the univariant eutectic reaction in Al-Cu-Ag alloys, Scripta Materialia 51 (2004) [5] Witusiewicz V.T., Hecht U., Fries S.G., Rex S.: The Ag-Al-Cu system Part I: Reas sessment of constituent binaries on the basis of new experimental data, Journal of Alloys and Compounds, 385(2004) [6] Witusiewicz V.T., Hecht U., Fries S.G., Rex S.: The Ag-Al-Cu system Part II A thermodynamic evaluation of the ternary system, Journal of Alloys and Compounds, 387(2005) [7] Mullins W.W., Sekerka R.F.: Morphological Stability of a Practicle Growing by Diffusion or Heat Flow, Journal of Applied Physics, 34(1963) [8] Konopka Z., Nocuń S.: Wpływ prędkości krystalizacji kierunkowej na odległość międzypłytkową eutektyki w stopie Al-Ag-Cu, Archiwum Odlewnictwa, Rocznik 4(2004), Nr 14. [9] S. Nocuń, Z. Konopka: Wpływ prędkości krystalizacji kierunkowej na udział powierzchniowy faz potrójnego stopu Al-Ag-Cu, V Międzynarodowa Konferencja: Nowe Technologie i Osiągnięcia w Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, Częstochowa SUMMARY SILVER SEGREGATION DURING THE UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF THE TERNARY Al-Ag-Cu SYSTEM In this paper it was shown the segregation of the ternary element Ag which o c- curs during unidirectional solidification of the ternary Al-Ag-Cu system, as well as its influence on the stability of solid-liquid interface. The result confirmed strong segregation of the silver not only in the liquid on the solid-liquid interface but also in the α(al) phase. This segregation doesn t have visible influence on the structures parameters but it has been observed the influence of this segregation on the solid-liquid interface. Recenzował Prof. Józef Gawroński