BADANIA DYLATOMETRYCZNE STOPU Cu-Zn-Al-Si

ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2002, Rocznik 2, Nr 6
Archives of Foundry
Year 2002, Volume 2, Book 6
PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308
33/6
PRZEMIANY FAZOWE MOSIĄDZU
ALUMINIOWO-KRZEMOWEGO
1
S. RZADKOSZ1 , A. GRZEBYK2
Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza
Kraków, ul. Reymonta 23
2
Instytut Techniki, Uniwersytet Rzeszowski
35-301 Rzeszów, ul. Rejtana 16A
STRESZCZENIE
Mosiądze znajdują powszechne zastosowanie, brak jest natomiast dla mosiądzów
aluminiowo-krzemowych jednoznacznego opisu składu fazowego i przemian zachodzących w tych stopach.
Badania dylatometryczne, którym został poddany stop Cu -Zn-Al-Si pozwoliły określić
przemiany, jakie zachodziły podczas nagrzewania oraz kinetykę tych przemian.
1.
WPROWADZENIE
Jak wykazały wcześniejsze badania stopy miedzi posiadają szerokie możliwości
kształtowania struktury na drodze obróbki cieplnej. Trudności w interpretacji wyników
wynikają z nieścisłości dotyczących rzeczywistej budowy układu równowagi, co wiąże
się brakiem jednoznacznego opisu przemian zachodzących w tych stopach.
Metoda dylatometryczna pozwala wyznaczyć temperatury początku i końca przemian fazowych zachodzących w metalu lub jego stopie podczas złożonych zabiegów
cieplnych, wyznaczenie współczynników rozszerzalności liniowej lub określenie proc esów zachodzących podczas rozmaitych zabiegów obróbki cieplnej przez naśladowanie
tych zabiegów w dylatometrze [7].
W stopie poddanym procesom cieplnym w warunkach eksploatacyjnych mogą towarzyszyć dwa rodzaje zmian wymiarowych:
1
2
dr hab. inż., prof. nadzwyczajny, rzadkosz @uci.agh.edu.pl
mgr, [email protected].
295
odwracalne, zależne wyłącznie od temperatury określane typową dla danego st opu wartością współczynnika rozszerzalności cieplnej,
- trwałe, które są efektem rozpuszczania składników stopowych w roztworze stałym .
W metodzie dylatometrycznej temperaturę przemian fazowych określa się na po dstawie krzywych, przedstawiających zmianę długości próbki przy grzaniu lub chłodzeniu. Wykreślenie takiej krzywej we współrzędnych wydłużenie – temperatura pozwala
ustalić odcinki równomiernego rozszerzania się próbki (umożliwiające wyznaczanie
współczynników cieplnej rozszerzalności liniowej) oraz załamania się krzywej, świadczące o przemianach zachodzących w stopie, co pozwala ustalić temperaturę przemian
fazowych. Wprowadzenie trzeciego parametru – czasu umożliwia badanie kinetyki
przemian w warunkach izotermicznych. Daje to podstawy do opracowania różnych
wykresów czas – temperatura – przemiana: CTPi, CTPc oraz CTPc – CTPi i bliższego
poznania kinetyki przemian fazowych.
Celem pracy jest wyznaczenie temperatury początku i końca przemian fazowych zachodzących w mosiądzu aluminiowo-krzemowym o składzie: Zn-26.04%, Al-2.68%,
Si-1.05%, Mn-0.038%, Fe-0.08%.
-
2.
MATERIAŁ DO BADAŃ
 1,8
 5 mm
Przedmiotem badań był mosiądz aluminiowo-krzemowy do wytworzenia którego
użyto następujące materiały:
- stop miedziowo-krzemowy,
- miedź elektrolityczna,
- aluminium przewodowe,
- cynk w postaci sztabek.
Topienie przeprowadzono w piecu elektrycznym indukcyjnym średniej częstotliwości
w tyglu szamotowo-grafitowym o pojemności 10 kg. Próbki do badań dylatometrycznych oraz do badań metalograficznych odlewano do form metalowych. Materiał bada wczy stanowiły próbki walcowe o wymiarach przedstawionych na rys.1 i składzie:
2.68%-Al, 1.05%-Si, 0.08%-Fe, 0.038-Mn, 26.04%-Zn, pozostała część miedź.
20 mm
Rys. 1. Kształt i wymiary próbek użytych do badań
Fig. 1. Shape and the size of the samples subjected to tests
296
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
3.
METODYKA BADAŃ
Badania dylatometryczne stopu przeprowadzono na stanowisku skonstruowanym
w Zakładzie Materiałoznawstwa Instytutu Techniki Uniwersytetu Rzeszowskiego [7].
Stanowisko to jest zbudowane z trzech bloków:
I blok – zespół pomiarowy,
II blok – zespół przetwarzania sygnałów,
III blok – zespół obróbki danych.
W metodzie tej istnieje możliwość zapisu trzech współrzędnych – wydłużenia, temperatury i czasu.
Próbki nagrzewano z temperatury wyjściowej – otoczenia do temperatury około 810o C
z prędkością Vnag.= 0,48o C/s. Wygrzewano je w tej temperaturze przez 900s, następnie
chłodzono w wodzie. Badania przeprowadzono na 13 próbkach. Wartości temperatur
przemian fazowych wyznaczono w oparciu o zróżniczkowaną krzywą dylatometryczną
L = f(T). Odchylenie standardowe wyznaczonych temperatur obliczono dla poziomu
istotności  = 0,2. Badania dylatometryczne przeprowadzone były w osłonie argonu.
Mikrostrukturę w próbkach ujawniono poprzez trawienie odczynnikiem zawierającym FeCl3 + HCl + H2 O. Mikrofotografie struktur wykonano na skaningowym mikroskopie elektronowym Tes la BS 340.
4.
WYNIKI BADAŃ
Na podstawie układu równowagi Cu-Zn-Si [9] zgodnie z układem równowagi faz
Cu-Al-Si [1,2,4] w trakcie krzepnięcia obserwuje się zachodzące przemiany
   +  w dalszej kolejności    + .
Rys. 2. Układ równowagi Cu-Al-Si [8]
Fig. 2. Equilibrium system Cu-Al-Si [8]
297
W stanie po odlaniu badany stop posiadał pakietową strukturę  z ziarnami fazy 
i wydzieleniami faz  (rys. 3).
Rys. 3. M ikrostruktura stopu przed badaniami dylatometry cznymi: pow. 1000x, b) pow. 4000x
Fig. 3. M icrostructure of the alloy prior to dilatometric tests: a) 1000x magn., b) 4000x magn.
Do analizy badań został napisany specjalny program RW -PIEC umożliwiający dokładne opracowanie wyników badań [7].
Rzeczywisty współczynnik rozszerzalności obliczono ze wzoru:
1 dL
α 
L dT
gdzie: T – temperatura [o C],
L – długość próbki [mm].
Skokowe zmiany współczynnika rozszerzalności świadczą o zachodzących
w stopie przemianach fazowych.
x 10
-5
0
współ. rozszerzalności  1/ C
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
0
100 200 300 400 500 600 700 800
0
temperatura T, C
Rys. 4. Współczynnik cieplnej liniowej rozszerzalności
Fig. 4. Thermal linear expansion coefficients
298
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
1 - krzywa nagrzewania L=f(T)
2 - pochodna krzywej nagrzewania
0,50
0,45
0,35
2
0,30
0,25
300
0,20
0
M3=703 C
250
200
0
M2=509 C
150
100
1
50
0
M1=217 C
wydłużenie L, m
pochodna dL/dT
0,40
0
0
100
200
300
400
500
600
700
-50
800
0
temperatura T, C
Rys. 5. Przykład wyznaczania temperatury przemiany
fazowej podczas nagrzewania
Fig. 5. Example of the phase transformation temperature
determination during heating
Na podstawie dylatogramu (rys. 5) zostały określone punkty przemiany, p ochodna
dL
obliczona została z wielomianu 9-go stopnia, którym aproksymowano zależność
dT
L=f(T).
W wyniku przeprowadzonych badań dylatometrycznych otrzymano wykres ciep lnej rozszerzalności liniowej, który przedstawiono na rys. 4.
299
Zapis trzeciej zmiennej (czasu) pozwolił na określenie zmiany wydłużenia (rys. 6)
i temperatury (rys. 7).
300
250
wydłużenie, m
200
150
100
50
0
-50
0
200
400
600
800
1000 1200 1400 1600
czas, s
Rys. 6. Kinetyka zmiany wydłużenia w czasie nagrzewania z zaznaczonymi
punktami przemiany
Fig. 6. Kinetics of the change in the length
during the heat treatment, with the
transformation points marked
800
700
500
0
0
temperatura, C
600
400
V
300
=
48
0,
s
C/
g
na
200
100
0
0
200
400
600
800
1000 1200 1400 1600
czas, s
Rys. 7. Kinetyka zmiany temperatury w czasie
nagrzewania z zaznaczonymi punktami
przemiany
Fig. 7. Kinetics of the change in the temperature
during the heat treatment, with the transformation points marked
300
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Tabela 1. Temperatury przemian fazowych
Table 1. Phase transformation temperature
Lp
temperatura przemiany
M 1 [o C]
temperatura przemiany
M 2 [o C]
temperatura przemiany
M 3 [o C]
1
215
500
705
2
221
506
701
3
213
515
699
4
223
515
697
5
220
503
695
6
214
508
710
7
217
509
703
8
219
500
708
9
221
510
711
10
215
502
703
11
218
500
705
12
214
510
699
13
temperatura
średnia
215
525
702
2173
5076
7034
Po badaniach dylatometrycznych otrzymano strukturę z fazami  i  (rys. 8).
Rys. 8. M ikrostruktura stopu po badaniach dylatometrycznych, pow. 2000x
Fig. 8. M icrostructure of the alloy after dilatometric
tests (2000x magn.)
301
5.
WNIOSKI
W oparciu o przekroje trójskładnikowych układów równowagi faz Cu-Al-Si,
Cu-Al-Zn w temperaturach: likwidus, 400o C, 500o C, 600o C, 650o C, 750o C, 850o C,
955o C prezentowane w pracach Wilsona [10] oraz Diesa [8] a także na podstawie przeprowadzonych badań dylatometrycznych wyznaczono charakterystyczne temperatury
przemian fazowych.
- 217o C jako przypuszczalnie temperatura przemiany fazy  bogatej w aluminium
w fazę ,
- 507o C jako temperatura przemiany fazy ,
- 703o C jako temperatura przemiany fazy .
Daje to podstawy do opracowania różnych wykresów czas – temperatura – przemiana: CTPi, CTPc oraz CTPc – CTPi.
Uwzględniając powyższe wyniki można uznać za celowe opracowanie takich wykresów dla tej grupy stopów zwanych mosiądzami aluminiowo -krzemowy mi.
LITERATURA
[1] Rzadkosz S., Adamski C., Thiele M.: Wpływ parametrów technologicznych hartowania i odpuszczania na strukturę i właściwości mechaniczne stopów Cu -Al-Si.
Sympozjum Naukowe z okazji Dnia Odlewnika ITiMO AGH, Kraków 1986, s. 163170.
[2] Adamski C., Rzadkosz S.: Wpływ wybranych składników stopowych na strukturę
i właściwości mechaniczne stopów z układu Cu -Al-Si. Prace Komisji Metalurgiczno-Odlewniczej, PAN, Oddział Kraków 188, nr 38, s. 57.
[3] Rzadkosz S.: Analiza przemian fazowych w brązach aluminiowo -krzemowych. Sympozjum „Krzepnięcie metali i stopów”. PAN, Oddział Katowice 1996, nr 27, s. 43509.
[4] Rzadkosz S.: Die Strukturmarphologie der Cu-Si-Al. Legierungen Archives of Metallurgy, Iss 3v. 42, Kraków 1997.
[5] Wodecki W.: Analiza struktury i właściwości stopów Cu-Zn-Al-Si. Sympozjum
„Krzepnięcie metali i stopów”. PAN, Oddział Katowice 2000, nr 42, s. 65.
[6] Górny Z.: Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT, Warszawa 1992.
[7] Grzebyk A.: Opracowanie wykresu stali 45 z wykorzystaniem dylatometru
i komputera IBM. Praca magisterska, WSP, Rzeszów 1992.
[8] Dies K.: Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik , Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York 1967.
[9] Fortina C.: Fonderia Italiana, 1970, 5, s. 167.
[10] Wilson F.H.: Trans. AIME, 1948.
302
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
PHASE TRANSFORMATION IN BRASSES ALUMINIUM – SILICONS'
SUMMARY
Although brass alloys are used frequently, there is no consistent description of
the phase composition and the transformations occurring within such alloys.
Dilatometric tests to which the Cu-Zn-Al-Si alloy was subjected bade it possible to
determine the beginning and the end of the transformations which took place during the
heating. Recordings of the third item of data, i.e. time, enabled to determine the kinetics
of the change in the length and temperature.
Recenzował: prof. dr hab. inż. Andrzej Bylica
303