STRUKTURA A VLASTNOSTI PRÁŠKOVÝCH SLITIN

Transkript

1 STRUKTURA A VLASTNOSTI PRÁŠKOVÝCH SLITIN Al-Fe-Cr-Si-Ti-B B.Bártová, M. Paulovič, D. Vojtěch Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství, VŠCHT Praha, Technická 5, Praha 6, Abstract Mechanical properties of powder metallurgy aluminum alloys have been improved through a rapid solidification technique, resulting from structural modifications such as reduction of segregation, refinement of grain size and increase in solid solubility. The Al-Fe-Cr-Si-Ti-B alloys are expected to find applications as elevated temperature materials because Ti, Cr, a Fe exhibit limited solid solubility and low diffusivity in aluminum. Alloys are used in automotive and aircraft industries. This paper describes microstructure, mechanical properties and thermal stability of the Al-Fe- Cr-Si-Ti-B alloys. Abstrakt Slitiny Al-Fe-Cr-Si-Ti-B pro aplikace za zvýšených teplot vyrobené technologií práškové metalurgie jsou vhodné pro použití v automobilovém a leteckém průmyslu. Při rychlém tuhnutí dochází k přesycení tuhých roztoků a vzniká velmi disperzní struktura. Titan výrazně zvyšuje tepelnou stabilitu hliníkových slitin, protože má nízký difúzní koeficient v hliníku, tvoří jemné intermetalické fáze, které zvyšují mechanické vlastnosti. Práce byla zaměřena na sledování změn vlastností a struktur rychle ztuhlých prášků Al-Fe-Cr- Si-Ti-B během tepelného zatížení. 1. ÚVOD Metody práškové metalurgie se používají při výrobě slitin na bázi hliníku. Tyto slitiny mají lepší vlastnosti než slitiny vyráběné běžnými odlévacími procesy. Při extrémně vysokých rychlostech chlazení ( K/s) se vytváří velmi disperzní struktura a vznikají metastabilní fáze. Vznikají přesycené tuhé roztoky, u kterých je možno využít precipitačního vytvrzení. Tím se zvýší mechanické vlastnosti slitin především tvrdost a pevnost. Běžné slitiny hliníku mají velmi malou tepelnou stabilitu. Použití těchto slitin je možné do teplot okolo 250 C. Slitiny Al určené pro použití za vyšších teplot jsou tvořeny systémem Al-TM, kde TM jsou prvky např. Fe, Cr, Ti, V, Zr. Tyto prvky mají nízkou rozpustnost v tuhém roztoku Al a nízké difúzní koeficienty [1]. Proto jsou součástky z těchto slitin používány v podmínkách zvýšeného tepelného a mechanického namáhání v automobilovém a leteckém průmyslu. Cílem práce bylo sledování změn mikrostruktury a fázového složení rychle ztuhlých prášků slitin Al-Fe-Cr-Si-Ti-B dlouhodobě exponovaných při zvýšené teplotě. Výroba hliníkových slitin metodou atomizace taveniny Principem této metody je rozstřikování taveniny tlakovým médiem na malé kapky. K výrobě práškových hliníkových slitin se používá inertní plyn dusík, popř. argon, aby byla maximálně omezena tvorba oxidické vrstvy. Rychlým chlazením ( K/s) z kapalné fáze dochází ke zmenšení velikosti zrn, zvýšení chemické homogenity a vzniku nových metastabilních struktur. Práškové slitiny na bázi Al se dále zpracovávají extruzí. Běžná teplota vytlačování rychle ztuhlých prášků je 400 C [2]. Systémy Al-Si-Fe-X Nadeutektické slitiny Al-Si-Fe se používají v automobilovém a elektronickém průmyslu díky dobré odolnosti proti opotřebení, nízkému koeficientu tepelné roztažnosti. Tyto slitiny mají ve

2 struktuře obsaženy tvrdé částice křemíku, které jsou uloženy v hliníkové matrici. Tyto slitiny však mají nízkou teplotní odolnost a špatné mechanické vlastnosti. Zvýšení obsahu křemíku ve slitině zvyšuje odolnost proti opotřebení a pevnost, zároveň dochází k hrubnutí zrna. Ke zjemnění primárního křemíku byly použity různé metody - modifikace křemíku, legování slitiny dalším prvkem. Jako nejúčinnější ke zlepšení vlastností slitin Al-Si-Fe se ukázala metoda rychlého tuhnutí taveniny. Vznikají intermetalické částice, které jsou jemně dispergovány v hliníkové matrici. V práci [3] byly studované slitiny Al-Six-Fe5 (x = 12, 16, 18, 25 hm.%) žíhány při teplotách C, přičemž docházelo k růstu eutektických křemíkových částic do kulových útvarů, které narůstaly s vyšší teplotou. Růst částic Si je přisuzován větší difuzivitě křemíku v hliníku. Výsledky také ukazují, že Al-Si-Fe5 slitiny vyráběné metodou extruze (protlačováním) mají zlepšenou pevnost, odolnost proti opotřebení a lepší tepelnou stabilitu se zvyšujícím se obsahem křemíku. V práci [4] byly studovány rychle ztuhlé slitiny Al-Si-Fe-Cr(Zr). Protože během atomizace taveniny plynem se ve slitině Al-20Si-5Fe tvoří jehlicovité částice δ-al 4 FeSi 2, byla slitina modifikována dalšími prvky chromem a zirkonem. Zirkon zjemňuje zrna a chrom zmenšuje velikost primárního křemíku během tuhnutí. Dále byly v této práci porovnávány vlastnosti dvou slitin Al-20Si-5Fe-2Cr a Al-20Si-5Fe-2Zr. Struktura obou slitin se skládá z částic křemíku uložených v hliníkové matrici. Další fáze byla analyzována jako ß-Al 5 FeSi. Tyto částice jsou výsledkem transformace v tuhém stavu z metastabilní eutektické struktury. Se snižující se velikostí zrn prášku se zvyšuje ochlazovací rychlost a mikrostruktura je jemnější. Proces tuhnutí je složen z následujících kroků: (1) nukleace a růst metastabilních částic δ-al 4 FeSi 2 ; (2) nukleace a růst primárního Si; (3) metastabilní eutektické tuhnutí zbytkové taveniny na α-al + δ-al 4 FeSi 2 + Si [4]. Při srovnávání slitin Al-20Si-5Fe-2X (X = Cr, Zr) a Al-20Si-5Fe se mechanické vlastnosti u slitin legovaných chromem a zirkonem zlepšily. Pevnost v tahu byla o 12 % vyšší než u slitin Al-20Si-5Fe, snížily se také koeficienty tepelné roztažnosti. Vliv chromu a zirkonu na odolnost proti opotřebení nebyl významný. K legování slitiny Al-20Si-5Fe se používá rovněž titan. Tento prvek zjemňuje strukturu, tvoří metastabilní koherentní fázi L1 2 -(Al,Si) 3 Ti, která způsobuje vytvrzení slitiny, a stabilní fázi DO 22 -(Al,Si) 3 Ti s nízkou rychlostí hrubnutí [5]. Oba tyto precipitáty zlepšují mechanické vlastnosti za zvýšených teplot. 2. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Vzorky Byly studovány vzorky prášků dvou slitin Al-Fe-Cr-Si-Ti-B, které se liší výrazněji pouze obsahem titanu. Tyto slitiny byly vybrány proto, abychom porovnali jejich vlastnosti se dříve zkoumanými slitinami Al-Fe-Cr-Si. Prášky byly vyrobeny z připravených slitin metodou atomizace taveniny tlakovým dusíkem. Prášky byly chemicky analyzovány. Jejich chemické složení je uvedeno v tabulce 1. Tab.1: Chemické složení slitin Obsah [hm.%] Fe Cr Si Ti B Slitina I 2,06 6,26 1,05 1,51 0,07 Slitina II 2,13 5,49 0,78 0,10 0,04

3 Sítová analýza prášků Al-Fe-Cr-Si-Ti-B Vzniklý prášek je tvořen zrny různé velikosti. Při sítové analýze byly separovány frakce s velikostí částic <25, 25-45, 45-63, , , >125 µm. Pro měření byly použity frakce µm, µm. Rentgenová difrakční analýza prášků Al-Fe-Cr-Si-Ti-B Vzorky byly proměřeny na difraktometru DRON s digitálním záznamem dat a filtrovaným zářením Cu. K zobrazení a proměření dat byl použit program DIFPATAN, k vyhledávání databáze ICDD PDF-2 z r Diferenční termická analýza Vzorky byly ohřívány rychlostí 5 C.min -1, navážka byla 150 mg, srovnávacím vzorkem byl Al 2 O 3. Vzorky byly umístěny v Pt-nádobce, ohřev probíhal v atmosféře N 2. Metalografické zpracování vzorků Vzorky byly zality do epoxidové pryskyřice. Poté byly broušeny na brusných papírech a leštěny pomocí diamantové pasty. Pro zviditelnění struktury byly vzorky leptány leptadlem (2ml HCl, 4ml HNO 3, 1ml HF, 93ml H 2 O). 3. VÝSLEDKY A DISKUSE Sítová analýza slitin Al-Fe-Cr-Si-Ti-B Po provedení sítové analýzy byly pro měření použity prášky s velikostí částic µm, které byly ve slitinách nejvíce zastoupeny, viz. obr.1. Dále jsme sledovali vlastnosti prášků s velikostí částic µm, které se nejčastěji používají pro další zpracování extruzí. 30,00 25,00 Množství [hm.%] 20,00 15,00 10,00 18,42 27,68 29,68 15,31 5,00 1,14 7,77 0, a více Velikost částic [µ m] Obr.1: Sítová analýza slitin Al-Fe-Cr-Si-Ti-B

4 Tvrdost slitin Al-Fe-Cr-Si-Ti-B Slitiny byly dlouhodobě žíhány při teplotě 400 C. Tvrdost byla měřena u vzorků v nežíhaném stavu a po 50, 260, 430 a 600 hodinách žíhání. Tvrdost byla měřena Vickersovou metodou se zatížením 20 g, označení HV 0,02. Jednotlivé hodnoty měření jsou průměrnou tvrdostí, která byla vypočtena jako aritmetický průměr ze sta měření. I přes nižší počáteční tvrdost prášku s obsahem Ti 1,5%, jeho tepelná stabilita je v porovnání se slitinou s 0,1% Ti znatelně vyšší, jak je vidět na obr.2. Potvrdil se tedy pozitivní vliv titanu na tepelnou stabilitu slitin. Nižší tvrdost prášku v nežíhaném stavu je pozitivní z hlediska jeho následného zpracování extruzí HV 0, Doba žíhání [hod] I (63-100) II (63-100) Obr.2: Závislost tvrdosti na době žíhání při teplotě 400 C, porovnání slitin I (1,5%Ti) a II (0,1%Ti) s velikostí částic Rentgenová difrakční analýza slitin Al-Fe-Cr-Si-Ti-B Difraktogramy slitiny I se od sebe výrazněji neliší, srovnáváme-li vzorky se stejnou velikostí částic po různých dobách žíhání. U všech vzorků je dominantní fází hliník. Dále zde vznikají různé fáze, které však nelze přesně identifikovat. Slitiny jsou stabilní po celou dobu žíhání. Rtg-fázové diagramy jsou uvedeny na obr.3. Diferenční termická analýza Z obr.4 je zřejmé, že do teploty 450 C nedochází ve slitinách I (1,5%Ti) ani II (0,1%Ti) k žádným fázovým přeměnám, které by se projevily tepelným efektem. To svědčí o vysoké tepelné stabilitě těchto slitin. Fázová přeměna, která začíná při cca 450 C, je pravděpodobně způsobena oxidací prášku. Lze také říci, že vhodnou teplotou pro další zpracování extruzí je teplota 400 C.

5 Obr.3: Difraktogramy slitiny I (1,5%Ti) s velikostí částic (25-45) µm při různých dobách žíhání Obr.4: Záznam průběhu DTA pro slitinu I(1,5%Ti) a II(0,1%Ti) s velikostí částic (25-45) µm

6 Mikrostruktura Z dokumentovaných snímků (obr. 5-10) je zřejmé, že slitiny mají velmi podobnou strukturu, která se skládá z tuhého roztoku α Al a intermetalických fází. Tyto fáze jsou rovnoměrně rozptýleny v tuhém roztoku a mají přibližně rovnoosý tvar. Rozložení a tvar fází má pozitivní vliv na mechanické vlastnosti slitin. Vliv obsahu Ti na mikrostrukturu slitin se příliš neprojevil. Po dlouhodobém žíhání slitin se struktura výrazněji nezměnila. Je tedy patrné, že slitiny mají vysokou tepelnou odolnost. 10 µm Obr.5: Slitina I (1,5%Ti), 0h, (25-45) µm Obr.6: Slitina II (0,1%Ti), 0h, (25-45) µm 10 µm Obr.7: Slitina I (1,5%Ti), 260h, Obr.8: Slitina II (0,1%Ti), 260h, 10 µm Obr.9: Slitina I (1,5%Ti), 600h, Obr.10: Slitina II (0,1%Ti), 600 h,

7 Závěr Zkoumané slitiny Al-Fe-Cr-Si-Ti-B vykazují vysokou tepelnou odolnost a zlepšené mechanické vlastnosti proti dříve zkoumaným slitinám Al-Fe-Cr-Si, což lze přisuzovat legováním slitiny titanem a borem. Mikrostruktura prášků je velmi disperzní a je složena z tuhého roztoku Al a intermetalických fází, které mají globulární charakter. Mikrostruktura se nezměnila ani po dlouhodobém tepelném zatížení, což může být důsledkem rychlého chlazení taveniny a legováním přechodnými prvky. To má kladný vliv na mechanické a tepelné vlastnosti prášků. Tvrdost slitiny s 1,5% Ti se nezměnila ani po 600 hodinách žíhání při teplotě 400 C. Slitiny Al-Fe-Cr-Si-Ti-B se ukázaly jako vhodné pro aplikace za zvýšených teplot pro jejich vysokou tepelnou odolnost a dobré mechanické vlastnosti. Seznam literatury: [1] A. Zachara, Diplomová práce, VŠCHT Praha, (1999) [2] Y. Kawamura, Hong-Bin Liu, A. Inoue, T. Masumoto: Rapidly solidified powder metallurgy Al-Ti-Fe alloys, Scripta Materialia, Vol.37, No. 2, (1997), pp [3] Cho S.S., Chun B.S., Won C.W., Lee B.S., Kim H.K., Ryu M.: Rapidly solidified aluminium alloy powder, Advanced Materials & Processes 1/97 (1997), pp [4] S.J. Hong: The effects of Cr and Zr addition on the microstructure and mechanical properties of rapidly solidified Al-20Si 5Fe alloys, Materials Science and Engineering, A (1997), pp [5] Won-Wook Park: Mikrostructure and mechanical properties of rapidly solidified Al-Si- Fe-X base alloys, Materials and Design, Vol.17, No. 5/6, (1996), pp