NĚKTERÉ ZKUŠENOSTI S MODIFIKACÍ SLITIN Mg SOME OF OUR EXPERIENCE OF MODIFYING THE Mg ALLOYS Luděk Ptáček, Ladislav Zemčík Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství SUMMARY In our earlier papers we dealt with affecting the crystallization of the AZ91 alloy by sodium, which for the micro-alloying of the experimental alloy was used in the form of sodium metal. This type of alloying or modifying is highly problematic in practice because of the pronounced reactivity of both magnesium and sodium and their inflammability when in contact with oxygen. Technological operations can thus proceed only in protective atmospheres or vacuum furnaces. In the present work the results are described of experiments with modifiers in the form of master alloys and chemical compounds. 1. ÚVOD Struktura litých variant slitin Mg-Al-Zn ( 9 % Al, 1% Zn, na obr.1 označeno šipkou ) je tvořena základním tuhým roztokem (Mg) dendritické morfologie. Obr. 1 Rovnovážný diagram Mg Al 12 Mg 1 Fig. 1 Equilibrium Diagram of Mg- Al 12 Mg 17 V mezidendritických prostorách je uloženo eutektikum (Mg) γ. Fáze γ krystalizuje v koncentrační oblasti od 48 do 57 % Al ve slitině a má strukturní vzorec Al 12 Mg 17. 1
Jak je zřejmé z diagramu na obr. 1 bude slitina krystalizovat v rozsáhlé koncentrační oblasti označené A-B. Vzhledem k velkému teplotnímu intervalu krystalizace dochází v dendritech tuhého roztoku (Mg) k výrazným likvačním jevům, které se projeví silnou dendritickou segregací. Tento efekt je doplněn rovněž tvorbou diskontinuálního precipitátu tvořeného deskami fáze γ rostoucími od hranice do středu dendritických útvarů (obr.2 a 3). Precipitát je nekoherentní, jeho zárodky se tvoří v rovinách (0001) (Mg) základního tuhého roztoku. Na detailu struktury (obr. 3) jsou vidět všechny popsané strukturní součásti. Obr. 2 50 x Obr. 3, detail z obr. 2 400 x Struktura nemodifikované slitiny AZ 91 Structure of unmodifying alloy AZ91 2. MODIFIKACE SODÍKEM Volba sodíku jako modifikátoru slitin hořčíku (experimentálně AZ 91) měla dva důvody: 1. U slitin Al-Si sodík podle současných znalostí ovlivňuje charakter krystalizace a mění mechanizmus růstu křemíkových (hexagonálních)složek eutektika. 2. Chemická příbuznost sodíku s lithiem, jehož vliv na strukturu slitiny byl studován v předchozích pracích [2]. Podle rovnovážných diagramů Mg-Na a Zn-Na (obr.4 a 5) sodík netvoří za pokojové teploty s komponentami slitiny AZ91 tuhé roztoky, intermetalická sloučenina se tvoří pouze v soustavě Na-Zn jako fáze β s chemickým vzorcem NaZn 13. V dané slitině nemá praktický význam vzhledem k velmi nízkému obsahu zinku. Použitá technologie modifikace byla popsána v práci [1]. Z výsledků této studie je zřejmé, že vlastní metalurgický proces modifikace bude nutno dále vyvíjet a bude třeba stanovit v jaké formě a v jakém množství bude sodík jako modifikátor pro slitiny Mg používán. 2
Obr. 4 Obr. 5 Rovnovážné diagramy Mg-Na a Na-Zn [3] Equilibrium Diagrams of Magnesium Sodium and Sodium-Zinc [3] 3. EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ Příprava slitin hořčíku legovaných sodíkem byla proto prováděna ve vakuové indukční peci IS2/I HERAEUS osazené grafitovým kelímkem [1]. Nízké obsahy sodíku byly přidávány při přetavení slitin v peci Linn v grafitovém kelímku (obr. 6) 4. ROZBOR STRUKTURY Z porovnání struktur na obr. 7 a 8 jasně vyplývá, že modifikované slitiny mají jemnější zrno a to jak základního tuhého roztoku tak i eutektika. Obr. 6 Tavicí pec Linn Fig. 6 Melting Furnace Linn 3
Obr. 7 100 x Obr. 8 100 x Struktura slitiny Mg-Al-Zn-Na Struktura nemodifikované slitiny Structure of alloy Mg-Al-Zn-Na Structure of unmodifying alloy AZ91 Fáze, které se ve struktuře experimentálního modifikovaného materiálu vyskytují, byly ověřeny rentgenovou strukturní analýzou. Z výsledku dokumentovaného na obr. 9 jednoznačně vyplývá, že přebytek sodíku ve slitině vytváří vlastní diskrétní krystaly sodíku α. Obr. 9 Difrakční spektrum modifikované slitiny. Fig. 9 Difraction patterns of modifying alloys 4
Rozložení sodíku ve struktuře bylo sledováno pomocí chemické mikroanalýzy. V prvé řadě bylo zjištěno rozložení sodíku ve větvích dendritů (dendritická segregace). Obsah významných prvků, hliníku, zinku a sodíku, v tuhém roztoku byl zjištěn na linii procházející kolmo k ose dendritické větve (obr. 9). Výsledek udává následující tabulka. Poloha 1 2 3 4 E Prvek Zn 0,70 0,68 0,61 1,15 2,80 Na 1,21 1,57 1,67 1,45 1,60 Al 3,41 4,09 5,93 10,07 38,9 Z tabulky vyplývá, že prvkem, který odměšuje je pouze hliník. Obsah sodíku a zinku se téměř nemění. 2 4 3 1 E Obr. 9 K liniové analýze větve dendritu Fig. 9 Line analysis of Dendrite Analýza eutektika označeného na obrázku 9 šipkou je uvedena v tabulce pod označením E. Ve všech případech je zbytkovým prvkem analýzy hořčík a některé stopové nečistoty (Mn, Si). 5. ZÁVĚR 1. Kovový sodík zjemňuje strukturu slitiny AZ 91. Eutektikum tvoří diskrétní částice na hranicích dendritických větví. 2. Prvky Zn a Na ve větvích dendritů nesegregují. Naproti tomu dochází k silné segregaci hliníku. 3. Zinek i sodík jsou obsaženy v eutektiku. Lze předpokládat, že jsou rozpuštěny ve složce γ. 5
Předložená práce je součástí výzkumu hořčíkových slitin podporovaného GAČR projekt 106/04/0422 (Vliv submikronových a manometrických částic modifikátoru na krystalizaci slévárenských slitin Mg) LITERATURA [1] Ptáček L., Zemčík L.: Polykomponentní slitiny hořčíku modifikované sodíkem. METAL 2005, Hradec nad Moravicí. [2] Ptáček L., Zemčík L.: Strukturní specifika polykomponentních slitin Mg legovaných lithiem, Zeszyty Naukove Polytechniky Opolskiej 298/2004, str. 43, ISSN 1429-6065 [3] Drápala J. Kuchař L., Tomášek K., Trojanová Z.: Hořčík, jeho slitiny a binární systémy hořčík-příměs. VŠB-TU Ostrava 2004 6