, Hradec nad Moravicí POLYKOMPONENTNÍ SLITINY HOŘČÍKU MODIFIKOVANÉ SODÍKEM

Transkript

1 POLYKOMPONENTNÍ SLITINY HOŘČÍKU MODIFIKOVANÉ SODÍKEM EFFECT OF SODIUM MODIFICATION ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF POLYCOMPONENT Mg ALLOYS Luděk Ptáček, Ladislav Zemčík VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Technická 2, Brno, CR Abstrakt V předložené práci je popsán metalurgický postup přípravy slitin, a použitý způsob modifikace. Dále je provedena analýza struktury s ohledem na vliv sodíku na morfologií strukturních složek. Ve třetí části práce je popsán vliv modifikace sodíkem na mechanické vlastnosti studovaných slitin. Abstract In the present work the metallurgical procedure of alloy preparation and the modification method used are described. The structure is then analysed with a view to the effect of sodium on the morphology of structural components. The third part of the work deals with the effect of sodium modification on the mechanical properties of the alloys under study. 1. Úvod Slitiny hořčíku mají nízkou měrnou hmotnost (1700 až 1900 kg/m 3 ) a podobné mechanické vlastnosti jako slitiny hliníku. Jejich specifické mechanické charakteristiky jsou z tohoto pohledu výhodnější. Významnou výhodou slitin hořčíku je schopnost silné absorpce mechanických kmitů, tlumení vibrací všech frekvencí. Slitiny Mg jsou dobře slévatelné, mají nízkou teplotu tání, což zlepšuje některé další slévárenské vlastnosti. Při vhodné volbě legur se eliminuje výskyt slévárenských vad, jako jsou mikrostaženiny nebo praskliny za tepla. Podle vžitých zvyklostí rozdělujeme slitiny hořčíku na slitiny slévárenské a slitiny pro tváření. Základem slévárenských slitin hořčíku jsou binární slitiny rozšířené o další legury za účelem zlepšení technologických vlastností, mechanických vlastností nebo zvýšení odolnosti proti korozi. Takové základní systémy jsou Mg-Al, Mg-Zn a Mg-Mn, popř. Mg-Li. Další doplňkové kovy jsou Th, Zr, Si, Ag, Ti a kovy vzácných zemin (La, Ce, Nd, Pr, Sc, Gd,Y). V předchozích pracích jsme se zabývali vlivem stoupajícího obsahu lithia na strukturu slitiny AZ 91 [1]. Zjistili jsme, že slitina dosahuje při relativně nízkých koncentracích lithia významných strukturních změn, které zlepšují zejména plastické a tím i technologické vlastnosti. Ukázali jsme, že fáze γ (Al 12 Mg 17 ) ve struktuře slitiny uložená v mezidendritických oblastech buď jako zrnité eutektikum nebo jako masivní fáze (obr. 1) mění svoji morfologii po legování slitiny lithiem. Fáze γ pak vytváří diskrétní částice(obr. 2), které nepřispívají ke zhoršení křehkolomových vlastností. Tento jev je pozorován již od 8 % obsahu lithia ve slitině. Zároveň dochází postupně, tak jak se zvyšuje koncentrace lithia k přeměně krystalické 1

2 mřížky HTU na mřížku BCC. Při 12 % obsahu Li ve slitině již má matrice kubickou prostorově centrovanou mřížku (obr. 2). Precipitát γ (Al 12 Mg 17 ) Tuhý roztok δ Eutektikum γ+δ Obr. 1 Struktura slitiny AZ 91 Fig. 1 Structure of alloy AZ 91 Obr. 2 Struktura slitiny Mg-Li-Al- Zn Fig. 2 Structure of alloy Mg-Li-Al-Zn 2. Výzkumný program V předložené práci jsme si položili za úkol ověřit, zda podobný vliv na morfologii struktury a zejména pak fáze γ má i sodík, který je běžně používán jako modifikátor pro slévárenské slitiny hliníku. V hliníkových slitinách se sodík používá ve formě kovové, v množství asi 0,05 až 0,1 % nebo ve formě solí, případně speciálních exotermických modifikačních tablet. Obr. 3 Rovnovážný diagram hořčík sodík [2] Fig. 3 Equilibrium Diagram of Magnesium - Sodium Z rovnovážného diagramu Mg-Na [2] vyplývá, že sodík se v hořčíku prakticky nerozpouští a nulová je rovněž rozpustnost hořčíku v sodíku za teploty okolí (teplota tání sodíku je 97,7 o C, hustota 0,9712 g/cm 2 ). Sodík by tedy ve struktuře měl tvořit velmi malé izolované částice. V námi navrženém experimentu byla vyrobena polykomponentní slitina hořčíku dolegováním slitiny AZ91 na hodnotu 3 až 4 % Na (na obr. 3 označeno šipkou). U této slitiny byla 2

3 provedena chemická mikroanalýza za účelem zjištění rozložení sodíku ve struktuře. Zároveň byl metalograficky posouzen vliv sodíku na mechanismus krystalizace. 3. Příprava experimentálních slitin Hořčík i sodík jsou kovy značně reaktivní a při reakcích s kyslíkem se snadno vzněcují, sodík navíc prudce rozkládá vodu za vývoje vodíku. Příprava slitin hořčíku modifikovaných sodíkem byla proto prováděna ve vakuové indukční peci IS2/I HERAEUS osazené grafitovým kelímkem. S ohledem na vysoké tlaky par hořčíku a zejména sodíku (Obr. 4) byla komora vakuové pece po odsátí na tlak 2 Pa napuštěna argonem o tlaku Pa. Vsázku tvořily díly housky slitiny AZ 91 vhodné kusovitosti a sodík v hliníkově patroně NAVAC od firmy Foseco ( Obr. 5). Byly provedeny dvě tavby druhované na 6 hm. % Na, složení odlitých ingotků uvádí tab Na Tlak par [ Pa ] Mg Teplota [ C ] Obr. 4. Tlaky par Fig.4. Vapor pressures Obr. 5. Uložení vsázky v kelímku Fig. 5. Placing the melting charge in crucible Tabulka 1. Chemické složení taveb [ hm. %] Table 1. Chemical composition of heats [wt. %] Tavba % Al %Mg %Na %Zn 1 9,3 80 3,3 0,65 2 9,2 81 3,7 0,64 3

4 4. Rozbor struktury Vzhledem k tomu, že mezi tavbami 1 a 2 (Tab.1) nebyl podstatný rozdíl ve váhovém obsahu sodíku nebyly vzorky odebrané pro metalografickou a chemickou mikroanalýzu rozlišovány. Metalografické snímky (světelná metalografie) dokumentují hrubost struktury a rozložení sodíkových částic (černé, kulaté částice). Obr. 6 (Olympus PMG 3 ) 100x Obr. 7 (Zeiss Neophot 32) 100x Fig. 6, Magnification 100x Fig. 7, Magnification 100x Na obrázku 6 je uvedena struktura slitiny AZ 91 modifikované sodíkem, na obr. 7 je struktura AZ91 bez sodíku. Z porovnání snímků 6 a 7 vyplývá, že sodík výrazně snižuje velikost zrna licí struktury. Fáze γ, Eutektikum (Mg)-γ Detailně je struktura slitiny se sodíkem uvedena na obr. 8. Je zřejmé, že mimo celkové zjemnění struktury ovlivňuje sodík i krystalizaci fáze γ (Al 12 Mg 17 ). Obr. 8, 500x Struktura slitiny AZ91 modifikované sodíkem Částice na bázi sodíku Fig. 8, 500x Structure of alloy AZ91 modified with of sodium 4

5 5. Chemická mikroanalýza Mikroanalýza struktury experimentálních slitin byla provedena pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu Philips XL30 s analyzátorem Edax. Výsledky jsou uvedeny v tabulkách 2 a 3 přičemž každá analýza reprezentuje jiné místo vzorku Obr. 9 Chemická mikroanalýza struktury z obr. 8 Fig. 9 Chemical microanalysis of structure from Fig. 8 Tabulka 2 Table 2 Místo\Prvek Mg Al Na Zn Mn Si 1 89,18 7,88 2, ,01 25,62 0,54 1, ,84 8,47 8,49 0,83 0,75 1, ,40 31,70 5,10 0,76 10,75 1,28 Plošná anal. 88,08 10,51 1, Obr. 10 Chemická mikroanalýza struktury z obr. 8 Fig. 10 Chemical microanalysis of structure 8 5

6 Tabulka 3, Table 3 Místo\Prvek Mg Al Na Zn Mn Si 1 84,99 8,94 2,89 3, ,67 29,91 1,60 2, ,76 38,99 3,65 32,61 Plošná anal. 88,70 9,82 1,48 Závěr Studium struktury slitin AZ91 modifikovaných sodíkem přineslo některé zajímavé poznatky, které budou použity jako podklad pro další výzkum. Je zřejmé, že sodík jako modifikátor má vliv zejména na proces krystalizace slitiny: 1. Způsobuje významné zjemnění dendritického zrna. 2. Eutektikum (Mg) γ. Případně masivní fáze γ vytváří v mezidendritických prostorách oddělené (nespojité) útvary. 3. Sodík vytváří v matrici diskrétní částice kulového tvaru. Množství těchto částic je zřejmě závislé na obsahu sodíku. Práce je součástí výzkumu hořčíkových slitin podporovaných GAČR projekt 106/04/0422 (Vliv submikronových a nanometrických částic modifikátoru na krystalizaci slévárenských slitin Mg) Literatura 1. Ptáček L., Hásek P.: Struktura a vlastnosti polykomponentních slitin hořčíku, Metal 2004, Hrádek nad Moravicí 2. Drápala J. Kuchař L., Tomášek K., Trojanová Z.: Hořčík, jeho slitiny a binární systémy hořčík-příměs. VŠB-TU Ostrava

7 7