Strukturní charakteristiky hořčíkové slitiny AZ91. Structure of Magnesium Alloy AZ91.

Transkript

1 Strukturní charakteristiky hořčíkové slitiny AZ91. Structure of Magnesium Alloy AZ91. Hubáčková Jiřina a), Čížek Lubomír a), Konečná Radomila b) a) VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERSITA OSTRAVA, Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství, Katedra materiálového inženýrství, 17. listopadu 15, 70833, Ostrava Poruba, ČR, lubomir.cizek@vsb.cz b) UNIVERSITA ŽILINA, Fakulta strojní, katedra materiálového inženierstva, Katedra materiálového inžinierstva, Velký diel, Žilina, SR, radomila_konecna@kmi.utc.sk Abstrakt Vlastnosti hořčíkových slitin jsou v úzkém vztahu s jejich strukturou, která je závislá na metalurgických a technologických aspektech jejich výroby a zpracování. Experimentální část práce je věnována strukturnímu rozboru vyskytujících se fází v modelovém odlitku hořčíkové slitiny AZ91. Dále je sledován vliv vybraných způsobů tepelného zpracování na změny výchozí struktury. Ke studiu byly použity metody světelné mikroskopie s využitím technik barevného leptání a pozorování v polarizovaném světle. 1. Úvod Slitiny hořčíku představují širokou skupinu konstrukčních materiálů se specifickými vlastnostmi, rozšířených hlavně v leteckém a raketovém průmyslu, ale také ve výrobě optické a přístrojové techniky, v automobilovém i v textilním průmyslu [1-3]. Slitina AZ91 představuje nejčastěji používaný typ hořčíkových slitin s dobrou slévatelností, s výhodnou kombinací pevnostních, plastických i korozních vlastností. Obsahuje obvykle 3 9 % Al, 0,2 1,5 % Zn a 0,15 0,5 % Mn. V litém stavu je mikrostruktura značně heterogenní, vedle základního tuhého roztoku přísad v hořčíku obsahuje intermetalické fáze na bázi Mg 17 Al 12 s proměnným obsahem hliníku, příp. zinku. Uvedené fáze se vyskytují ve dvou základních morfologiích: jako hrubší kompaktní částice součást eutektika a jako jemný precipitát v destičkovité příp. jehličkovité formě, vznikající zřejmě při pomalejším ochlazování pod teplotou 400 C [1,4]. Podle dostupných rovnovážných binárních diagramů se nachází studovaná slitina mimo oblast výskytu eutektika (viz. obr.1., [1,4]); uvedené strukturní anomálie vznikají zřejmě v důsledku rozvoje segregačních procesů při tuhnutí. Je pravděpodobné, že vlivem některých metalurgických (přítomnost dalších přísad a nečistot) a technologických (podmínky lití a ochlazování) aspektů může dojít k výrazné modifikaci rovnovážných diagramů a k posuvům polohy a tvaru křivky rozpustnosti hliníku (a příp. dalších prvků) v hořčíku [5,6]. 2. Použitý materiál a experimentální technika Ke studiu byly použity lité desky modelové slitiny typu elektron o následujícím složení [hm.%- jsou užita v rámci celého příspěvku]: Mg, Al 8,25, Zn - 0,63, Mn 0,22, Si 0, 035, Cu 0,003, Fe 0,014, Be 0,002, Zr 0,002.

2 Obr.1. Rovnovážný binární diagram hliník-hořčík /2/ Vzorky byly podrobeny následujícímu tepelnému zpracování: A ) Předehřev 375 C/3 h 415 C/18 hod, ochlazování na vzduchu A 1 ) A C/8h/vzduch B ) Jako A, ochlazování ve vodě B 1 ) B C/8h/vzduch C) Jako A, ochlazování v peci U všech vzorků bylo provedeno hodnocení mikrostruktury metodou světelné mikroskopie s využitím technik barevného leptání a pozorování v polarizovaném světle. Vzorky v litém stavu byly kromě hodnocení mikrostruktury podrobeny lokální elektronové mikroanalýze (byl použit scannovací elektronový mikroskop Philips XL 30 doplněný analyzátorem EDAX s korekcí 2AF) a také termické analýze, s cílem vymezit oblasti krystalizace a případných dalších reakcí v průběhu ohřevu a ochlazování slitiny. 3. Výsledky a diskuse V litém stavu je mikrostruktura tvořena matricí tuhého roztoku na bázi Mg, masivní fází typu Mg 17 Al 12, resp. Mg 17 (Al,Zn) 12 a jemným precipitátem z těchto fází, tvořících kvazilamelární nebo jehličkovité částice, často tvořící ostře ohraničené oblasti v těsném okolí hranic zrn obr. 2. Identifikace jednotlivých oblastí byla provedena pomocí lokální elektronové mikroanalýzy [7], která prokázala mimo Mg přítomnost až 39 % Al a okolo 4 % Zn v masivních částicích eutektika a menší obohacení (9 12 % Al a 1,7 2, 7 % Zn) oblastí dispersního precipitátu.

3 Obr.2. Mikrostrutura slitiny AZ91 v litém stavu K detailnějšímu objasnění procesů probíhajících při ohřevu a ochlazování slitiny AZ91 mohou částečně přispět i výsledky provedené termické analýzy použité slitiny. Její rozbor ukázal, že při ohřevu vzorků s výchozí licí strukturou byly zaznamenány 2 píky, odpovídající endotermickým efektům: první, menší při teplotě 433,63 C odpovídající rozpadu eutektika a druhý pík při teplotě 537,77 C odpovídající teplotě likvidu. Při ochlazování rychlostí 7 C.min -1 se v obdobných oblastech projevil exotermický efekt s prvním píkem na teplotě 594,32 C a druhým píkem, odpovídajícím eutektické reakci, při teplotě 424,42 C. Detailní interpretace dalšího průběhu jednotlivých křivek získaných při termické analýze je obtížná a vyžádá si dalšího studia. V prvním přiblížení je však možno na základě získaných údajů potvrdit výskyt eutektické reakce u slitiny o výše uvedeném mimoeutektickém složení. Při aplikovaném tepelném zpracování A, B, C byly sledovány možnosti homogenizace licí struktury. Bylo zjištěno, že za uvedených podmínek izotermického žíhání se precipitát i kompaktní fáze z větší části rozpouští, při rychlejším ochlazení (zpracování A,B) k výraznější precipitaci nedochází obr.3. Obr.3. Mikrostrutura vzorků slitiny AZ91 po tepelném zpracování A

4 Mikrostruktura, získaná při zpracování B s ochlazením ve vodě se liší od mikrostruktury, získané při zpracování A pouze zhoršenou leptatelností, svědčící o absenci jakéhokoliv precipitátu na hranicích zrn. Při pomalém ochlazování z teploty 415 C (vzorek C) nastala opakovaná precipitace jak na zbytcích masivní fáze původního eutektika, tak také v ohraničených oblastech v okolí hranic zrn obr.4. Obr.4. Mikrostruktura vzorků po tepelném zpracování C Velmi jemný precipitát byl pozorován také ve středových částech zrn, jak je vidět na obr.5 v polarizovaném světle. Obr.5. Detail mikrostruktury vzorků po tepelném zpracování C Obdobná reprecipitace v poněkud menším rozsahu byla pozorována i po dodatečném žíhání na teplotě 168 C u vzorků A1 obr. 6. a B1 obr 7 a,b. Heterogenita přítomných fází precipitátu vyniká obzvlášť při pozorování v polarizovaném světle obr. 7b.

5 Obr.6. Opakovaná precipitace po žíhání na teplotě 168 C vzorek A1 Obr.7a. Opakovaná precipitace po žíhání na teplotě 168 C vzorek B žlutý filtr Obr.7b. Opakovaná precipitace po žíhání na teplotě 168 C vzorek B1 polarizované světlo (pozice jako na obr.7a.)

6 4. Závěry Z výsledků studia vlivu tepelného zpracování na mikrostrukturu slitiny AZ 91 vyplývají následující závěry: - V litém stavu je mikrostruktura značně nehomogenní; byl prokázán výskyt fáze typu Mg 17 Al 12 ve dvou odlišných morfologiích- v kompaktní formě a jako jemný precipitát. - Hrubé kompaktní částice jsou součástí eutektika jehož výskyt byl prokázán termickou analýzou - Jemný disperzní precipitát v blízkosti hranic zrn se tvoří při pomalejším ochlazování pod teplotou 400 C. - Izotermické žíhání na teplotě 415 C/18 h vede k podstatnému rozpouštění jemného precipitátu a částečnému rozpouštění kompaktní fáze eutektika, což bylo pozorováno v případě A, B při rychlém ochlazení z žíhací teploty. - Při pomalém ochlazení z žíhací teploty 415 C v peci i při doplňkovém žíhání na teplotě 168 C dochází k precipitaci jemných částic typu Mg 17 Al 12 jak ve zbytcích kompaktních částic, tak také v původních oblastech precipitace v okolí hranic zrn - K detailnější identifikaci přítomných fází přispěla lokální elektronová mikroanalýza [7]. - Použití barevného leptání se ukázalo jako přínosné, protože přináší detailnější obraz rozložení fází a chemických mikroheterogenit ve struktuře. Literatura: [1] ASM Specialty Handbook- Magnesium and Magnesium Alloys, ed. Avedesian, M.M.and Baker, H., ASM International, USA, 1999, s [2] Magnesium Alloys and their Application, ed. Kainer, K.U., Sb. Int. Congress Magnesium Alloys and their Application, Mnichov, 2000, s.3-8, [3] PTÁČEK, L., Slitiny hořčíku- současný stav vývoje a použití, In Sborník z konference METAL Ostrava : Tanger, 2001, s [4] DAVIS,J.R. : Metals Handbook, Desk Edition, Second Edition, ASM International, The Materials Information Society, USA, 1998, s [5] ČÍŽEK, L., a kol., Structure and Properties of the Selected magnesium Alloys, In Sborník z konference Achievements in Mechanical and Materials Engineering, ed. L.A.Dobrzaňski, Gliwice, 2001, s [6] ČÍŽEK, L., a kol., Příspěvek ke studiu segregačních procesů ve slitinách hořčíku. In: Acta Metallrgica Slovaca 3/2002, s, ISSN [7] Interni zpráva VŠB Poděkování: Autoři příspěvku děkují GAČR za finanční podporu, která jim byla poskytnuta z grantu GA ČR 106/01/1247 a pomoc v rámci projektu CEEPUS CZ-13.