41/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 ZMIANY STRUKTURALNE WYSTĘPUJĄCE PODCZAS WYTWARZANIA KOMPOZYTÓW GRE3 - SiC P K. BRASZCZYŃSKA 1, A. ZYSKA 2 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki badań strukturalnych stopu GRE3 oraz kompozytów GRE3 20%SiC p. Wykazano, że podczas wytwarzania suspensji kompozytowej pomiędzy składnikami układu zachodzi reakcja chemiczna, której produktem jest międzymetaliczny związek Ce 3 Si 2, o charakterystycznej iglastej morfologii. Związek ten występuje zarówno wokół cząstek SiC, tworząc warstwy reaktywne, jak również w stopie osnowy. Key words: metal matrix composites, magnesium alloy, SiC particles, structure examination. 1. WPROWADZENIE Kompozyty na osnowie stopów magnezu umacniane głównie węglikiem krzemu w postaci cząstek, wiskersów czy krótkich włókien swój gwałtowny rozwój w ostatnich latach zawdzięczają głównie łatwości uzyskania pożądanej struktury, stabilnego i wytrzymałego połączenia komponentów oraz wysokich właściwości mechanicznych i trybologicznych [1-7]. Do podstawowych stopów magnezu, stosowanych jako osnowy kompozytów, należą m.in. stopy typu Mg-Al, Mg-Zn, Mgziemie rzadkie, jak i złożone stopy wieloskładnikowe z dodatkami np. Y, Be, Bi, Sb czy Gd [8-10]. Stopy magnezu z pierwiastkami ziem rzadkich znajdują coraz większe zainteresowanie z uwagi na możliwość osiągnięcia pożądanych zespołów właściwości, w tym również przy podwyższonych temperaturach. 1 dr inż., kacha@mim.pcz.czest.pl 2 dr inż., zyska@mim.pcz.czest.pl
321 Stop GRE3 otrzymuje się przez wzbogacenie magnezu w pierwiastki metali ziem rzadkich, których głównym składnikiem jest cer. W układzie równowagi Mg-Ce (rys. 1), od strony magnezu występuje wąski zakres zmiennej rozpuszczalności ceru w magnezie (max. 0.52wag.% w temperaturze 1315K) oraz mieszanina eutektyczna α (0,09at.%) + Mg 12 Ce (7,69at.%). Rys. 1. Podwójny układ równowagi Mg-Ce Fig. 1. Binary alloy phase diagram Mg-Ce Prezentowane w niniejszym artykule wyniki są częścią badań podstawowych dotyczących technologii kompozytów odlewanych, których celem było m.in. określenie możliwości zastosowania stopów magnezu z pierwiastkami ziem rzadkich na osnowę kompozytów zbrojonych cząstkami węglika krzemu ze względu na rozkład zbrojenia, połączenie komponentów oraz właściwości użytkowe odlewów. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Przedmiotem badań był kompozyt na osnowie stopu GRE3 zbrojonego cząstkami SiC. Stop osnowy wytworzono wprowadzając do magnezu 3%wag, mieszanki cerowej o składzie: 54.8%Ce, 23.8%La, 16%Nd oraz 5.4%Pr. Kompozyt wytworzono metodą mechanicznego mieszania wprowadzając do ciekłej osnowy cząstki węglika krzemu o udziale objętościowym 20 % i wielkości 20-40 µm. Wytworzoną suspensję odlewano do formy metalowej uzyskując próbki w kształcie walca o średnicy 20 mm. Dla kompozytu jak i stopu GRE3 wykonano serię badań przy użyciu mikroskopu optycznego (MO) oraz skaningowego (SEM) i transmisyjnego (TEM) mikroskopu elektronowego.
322 3. WYNIKI BADAŃ STRUKTURALNYCH W stanie pierwotnym struktura samego stopu GRE3 charakteryzowała się budową dendrytyczną. Segregacja pierwiastków stopowych podczas nierównowagowego krzepnięcia powodowała powstawanie w przestrzeniach międzydendrytycznych eutektyki α+mg 12 Ce, o bardzo drobnej morfologii, rozróżnialnej dopiero przy dużych powiększeniach. W przypadku zastosowania mieszani cerowej związek międzymetaliczny występujący w tych stopach można opisać ogólnie jako Mg 12 RE. Mikrostrukturę stopu GRE3 przedstawiono na rysunku 2. a) b) Rys. 2. Mikrostruktura optyczna stopu GRE3 Fig. 2. Optical microstructure of the GRE3 alloy Kompozyt wytworzony na osnowie stopu GRE3 z cząstkami SiC charakteryzował się jednorodnym rozmieszczeniem cząstek węglika krzemu, dendrytyczną budową stopu osnowy oraz niską porowatością. Typowe mikrostruktury badanego materiału zilustrowano na rysunku 3. Przeprowadzone obserwacje wykazały jednak znaczne zmiany mikrostrukturalne (w porównaniu do samego stopu GRE3), powstałe w tych kompozytach. Ujawniono obecność wyraźnych warstw reaktywnych pomiędzy komponentami, o charakterystycznej iglastej morfologii i dość znacznej grubości. Warstwy te, zobrazowane na rysunku 3b, występowały wokół wszystkich wprowadzonych cząstek węglika krzemu. Na rysunku 4 przedstawiono typową mikrostrukturę elektronową z obszarów obejmujących granice rozdziału SiC P -osnowa. Ujawniono obecność warstw reaktywnych pomiędzy cząstką SiC i stopem GRE3. Warstwy te, powstały na cząstkach węglika krzemu w postaci charakterystycznych igieł narastających w kierunku osnowy. Wyniki analiz TEM oraz umiejscowienie iglastych wydzieleń, jednoznacznie wskazują, że obserwowane elementy strukturalne są wynikiem bezpośrednich reakcji węglika krzemu z pierwiastkami stopu osnowy.
323 a) b) Rys. 3. Mikrostruktura optyczna kompozytów GRE3-SiCp Fig. 3. Optical microstructure of the GRE3-SiC P composite a) b) SiCp GRE3 Rys. 4. a) Mikrostruktura elektronowa kompozytów GRE3-SiCp, pow.2000x,, b) widmo rentgenowskie pierwiastków Fig. 4. a) Electron microstructure of the GRE3-SiC P composite, b) X-ray spectrum of elements Szczegółowe analizy wykonane dla obserwowanych granic rozdziału komponentów wykazały, że produktem chemicznego ich oddziaływania jest związek międzymetaliczny Ce 3 Si 2. W analizowanych strukturach nie stwierdzono jednak występowania związków węgla, jako drugiego produktu bezpośredniego rozpuszczania węglika krzemu. W przeprowadzonych badaniach metodyka jaki i bardzo trudna preparatyka może jednak uniemożliwiać wykrywalność tego typu związków, zwłaszcza przy ich niewielkim udziale masowym. Należy także zaznaczyć, że tworzenie się związku Ce 3 Si 2 na granicach międzyfazowych może być związane z występowaniem cienkiej warstwy tlenkowo-krzemowej na cząstkach SiC. Warstwy typu (SiO 2 +Si) pokrywające cząstki SiC stanowią zanieczyszczenie węglika krzemu i są bezpośrednio związane z technologią jego otrzymywania. Ilość (Si+SiO 2 ) dla stosowanych w badaniach cząstkach (KORUND S.A.) może wynosić do 4,5% wag. zbrojenia. W badanym kompozycie uległa również zmianie mikrostruktura samego stopu osnowy. Nie obserwowano typowych dla czystego stopu GRE3, rozłożonych w
324 przestrzeniach międzydendrytycznych wyraźnych eutektyk typu α + Mg 12 RE. Wprowadzenie cząstek węglika krzemu i reakcje zachodzące podczas wytwarzania tych kompozytów przyczyniły się do powstania w obszarach międzydendrytycznych wydzieleń o iglastej morfologii (i mniejszej ilości). W celu zidentyfikowania produktów reakcji wykonano dalsze badania przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego. Rysunek 5 przedstawia przykładową mikrostrukturę skaningową obrazującą iglaste wydzielenia obecne w osnowie kompozytu wraz z wykonanym dla analizowanego obszaru rozkładem liniowym pierwiastków. Szczegółowe analizy obserwowanych wydzieleń pozwoliły zidentyfikować je również jako związek międzymetaliczny Ce 3 Si 2. Tlen odnotowany na wynikach EDX (rys.5) pochodzi natomiast najprawdopodobniej z preparatyki analizowanej powierzchni. Rys.5. Rozkład liniowy pierwiastków w osnowie kompozytów GRE3-SiCp, SEM+EDX, pow. 2000x Fig 5. Linear distribution of elements in matrix alloy of the GRE3-SiC P composite, magn. 2000x
325 4. PODSUMOWANIE Przedstawione wyniki badań obrazują wyraźne zmiany strukturalne pomiędzy samym stopem GRE3 a kompozytem wytworzonym na osnowie tego stopu. W trakcie procesu wytwarzania kompozytów GRE3-SiC p pomiędzy komponentami układu zachodzi reakcja chemiczna, której produktem jest międzymetaliczny związek Ce 3 Si 2 o charakterystycznej iglastej morfologii. Iglaste wydzielenia Ce 3 Si 2 występują zarówno wokół cząstek SiC, jak i niezależnie, tworząc składnik strukturalny osnowy kompozytu. Wydzielenia Ce 3 Si 2 są bezpośrednio produktem chemicznego oddziaływania pomiędzy pierwiastkami metali ziem rzadkich i dodawaną fazą zbrojącą. Jednocześnie nie obserwuje się w osnowie kompozytu obecności związku typu Mg 12 RE, który stanowi podstawowy składnik strukturalny samego stopu GRE3. LITERATURA: [1] Chua B.W., Lu L., Lai M.O., Composite Structures 47 (1999) 595-601 [2] Zheng M., Wu K., YaoC., Sato T., Tezuka H., Kamio A., Li D.X., Materials Letters 41 (1999) 57-62 [3] Zheng M., Wu K., Yao C., Mat. Sc. and Eng. A318 (2001) 50-56 [4] Cai Y., Tan M.J., Shen G.J., Su H.Q., Mat Sc. and Eng. A282 (2000) 232-239 [5] Lianxi H., Erde W., MAt. Sc. and Eng. A278 (2000) 267-271 [6] Saravanan R.A., Surappa M.K., Mat. Sc. and Eng. A 276 (2000) 108-116 [7] Bochenek A., Braszczyńska K.N., Mat. Sc. and Eng. A290 (2000) 122-127 [8] Rokhlin L.L., Nikitina N.I., Dobotkina T.V., J. of Alloys and Comp. 239 (1996) 209-=213 [9] Xiaogin Z., Qudong W., Yizhen L., Yanping Z., Wenjiang D., Yunku Z., J. of Mater. Proc. Tech. 112 (2001) 17-23 [10] Guangying Y., Yangsham S., Wenjiang D., Scripta Mater. 43 (2000) 1009-1013 STRUCTURAL CHANGES OCCURRING DURING THE PRODUCTION PROCESS OF GRE3-SiC P COMPOSITES SUMMARY The results of the structural investigations of the GRE3 alloy and GRE3-20%wt. SiC P composites were presented. The chemical reaction between the components in the analysed system was determined. The Ce 3 Si 2 intermetallic compound with characteristic needles morphology was identified. This new compound has located in form of the interfaces layer around the SiC particles and also in the matrix alloy. Recenzował Prof. Józef Gawroński