Interakcija modifikacijske zlitine AIH5B1 s talino zlitine AICu6PbBi
Interaction of the AITi5B1 Grain-Refining Alloy with the Melt of the AICu6PbBi-Alloy
F. Zupanič1, Fakulteta za strojništvo, Maribor S. Spaič, Naravoslovno tehniška fakulteta, Ljubljana A. Križman, Fakulteta za strojništvo, Maribor
Prejem rokopisa - received: 1995-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1996-01-22
V delu je raziskan potek taljenja in raztapljanja modifikacijske zlitine AITi5B1 i/ talini zlitine AICu6PbBi ter način njenega udrobnilnega delovanja. Taljenje in raztapljanje modifikacijske zlitine se prednostno začne na mestih dobrega kontakta med modifikacijsko in osnovno zlitino ter v področjih z nizkotaljivimi mikrostrukturnimi sestavinami v modifikacijski zlitini. Med raztapljanjem difundirata titan in bor iz modifikacijske zlitine v osnovno talino, baker in drugi elementi iz zlitine AICu6PbBi pa v nasprotni smeri. Fazi AhTi in (Ti,AI)B2, ki se nahajata v prehodni coni, se raztapljata. Med strjevanjem nastanejo enakoosna kristalna zrna matrice ciai, ki so na meji AIV5B1/prehodna cona velika od 10 do 30 /im ter preko 1 mm v nedotaknjeni talini AICu6PbBi. Hkrati z naraščanjem velikosti kristalnih zrn se spreminja tudi njihova morfologija od poligonalne k dendritni. V prehodni coni, v področjih z nadperitektično koncentracijo titana, večinoma sproži kristalizacijo faza AhTi, medtem ko so v področjih s podperitektično vsebnostjo titana kristalizacijski centri po vsej verjetnosti delci (Ti,AI)B2.
Ključne besede: AIV5B1, Al-Cu, taljenje, raztapljanje, udrobnjevanje
The course of melting and of dissolution of the AITi5B 1 grain-refining alloy in the melt of the AICu6PbBi alloy has been investigated. The kind of possible nucleating agents has also been determined. The melting and the dissolution processes begin preferentially in the regions of good contact between AITi5B1 and AICu6PbBi as well as in the regions where low-melting microstructural constituents are present in the grain-refining alloy. During the dissolution titanium and boron are diffusing from the grain refining alloy tovvard the AICu6PbBi alloy, while copper and other elements from AICu6PbBi are diffusing in the opposite direction. The AhTi and (Ti,AI)B2 particles, present in the transient region, are being dissolved. After solidification increases the size of the equiaxed ccai grains from 10-30 fim at the AITi5B 1 /transient-region interface to more then 1 mm in the unrefined AICu6PbBi alloy. The morphology of the grains is simultaneously changed from polyhedral to dendritic one. In the regions of hiperperitectic concentration of titanium, AhTi particles usually act as grain-refining agents, but in the regions of hypoperitectic concentration of titanium (Ti,AI)B2-borides are the most probable nucleating agents.
Key words: AIV5B1, Al-Cu, melting, dissolution, grain-refinement
1 Uvod
Med raztapljanjem modifikacijskih zlitin v osnovni talini potekajo številni procesi, ki lahko odločilno vplivajo na njihovo učinkovitost. To so prenos toplote in snovi iz taline v modifikator in obratno, dispergiranje in raztapljanje faz modifikacijske zlitine v osnovni talini, možen je tudi in-situ nastanek faz med elementi modifikacijske in osnovne zlitine1,2. V dostopni literaturi je le malo objav, ki se ukvarjajo s to tematiko, ker je eksperimentalno spremljanje procesov v talini med raztapljanjem modifikatorjev precej zahtevno.
Pri dosedanjih raziskavah smo razvili posebno raziskovalno metodo, s katero lahko spremljamo potek taljenja in raztapljanja modifikacijskih zlitin takoj po njihovem dodatku v osnovno talino ter dobimo tudi vpogled v verjetni način njihovega učinkovanja3,4,5. Cilj tega dela je raziskati potek taljenja in raztapljanja modifikacijske zlitine AlTi5Bl v talini AlCu6PbBi, kakor tudi način njenega udrobnilnega delovanja.
1 Mag. Franc ZUPANIČ, dipl.ini.mel. Univerza v Mariboru Fakulteta za strojništvo 2000 Maribor, Smetanova 17
2 Eksperimentalno delo
Pri raziskavah je bila uporabljena komercialna zlitina AlTi5Bl v obliki žice s premerom 10 mm. Dejanska kemijska sestava te zlitine je bila: 4,9% Ti, 0,9% B, 0,04% Si, 0,18% Fe, drugo Al. Zlitina AlCu6PbBi je imela naslednjo sestavo: 4,38% Cu, 0,49% Pb, 0,40% Bi, 0,01% Sn, 0,321% Fe, 0,01% Mn, 0,033% Zn, 0,625% Si, 0.003% Mg, 0,01% Ti, drugo Al.
Pri preizkusih raztapljanja so bile iz žice modifikacijske zlitine izrezane rezine z dimenzijami 0 9 x 0,1-3 mm in položene na dno grafitne epruvete. Grafitna epruveta z rezino AlTi5B 1 je bila najprej segreta na 600°C ter nato potopljena v talino zlitine AlCu6PbBi s temperaturo 750°C tako, da je bil utor za dotok taline tik nad njenim nivojem. Pri tem se rezina ni smela raztaliti. Zato je bil čas predgrevanja največ 10 s, kar je bilo najbolj odvisno od debeline rezine Al-Ti-B. Po predgretju je bila epruveta za določen kontaktni čas, ki je bil 1-30 s, popolnoma potopljena v talino AlCu6PbBi. Po preteku kontaktnega časa je bila epruveta ohlajena v vodi.
Izvedbi preizkusov raztapljanja je sledila navadna mehanska metalografska priprava in jedkanje vzorcev s Kellerjevim reagentom. Mikrostruktura vzorcev je bila preiskana s svetlobnim mikroskopom ter vrstičnim elek-
tronskim mikroskopom, opremljenim z energijsko dis-perzijskim analizatorjem rentgenskega sevanja (EDAX).
3 Rezultati in diskusija
Ob začetnem kontaktu s talino je modifikacijska zlitina še v trdnem stanju. Ob dotoku toplote iz taline se prične modifikacijska zlitina segrevati in taliti. Potekati začne tudi vzajemni difuzijski in konvektivni prenos snovi med modifikacijsko zlitino in osnovno talino. Procesi taljenja in raztapljanja ne potekajo enakomerno po celotni stični površini rezina AlTi5B l/osnovna talina (slika 1). Raziskave vzorcev po zelo kratkih kontaktnih časih (1-2 s) so pokazale, da za ta pojav obstaja več vzrokov: nepopolno omočenje rezine AlTi5Bl s talino, mikronehomogenosti v modifikacijski zlitini, prisotnost oksidnih ali nitridnih plasti na površini modifikacijske zlitine in taline, in se skladajo z ugotovitvami v prejšnjih delih4-5.
Po določenem kontaktnem času se ustvarijo na mestu kontakta med modifikacijsko zlitino in talino AlCu6PbBi tri področja (slika 1):
-	področje 1: pretaljena modifikacijska zlitina
AlTi5B 1
-	področje 2: prehodna cona
-	področje 3: nedotaknjena osnovna zlitina
AlCu6PbBi.
V področju pretaljene modifikacijske zlitine AlTi5B 1 nastanejo pri strjevanju okoli 10 fim velika kristalna zrna ocai- V središčih kristalnih zrn so v glavnem prisotni delci faze AhTi, medtem ko so boridi predvsem na mejah kristalnih zrn. V področju 1 je število kristalnih zrn mnogo večje od števila aluminidnih delcev, zato verjetno nastane znatno število zrn ocai tudi na boridih.
Prehodna cona predstavlja interakcijsko področje med modifikacijsko zlitino in osnovno talino. Titan in bor difundirata skozi prehodno cono iz modifikacijske v osnovno talino, baker pa v nasprotni smeri. Fazi AbTi in (Ti,Al)B2 se raztapljata. Koncentraciji titana in bora se najhitreje zmanjšujeta na začetni meji rezina AlTi5Bl/
Slika 2: Prehodna cona a) na mestu slabega in b) dobrega kontakta med modifikacijsko in osnovno talino (REM)
Figure 2: The transient region a) at the plače of poor and b) of good contact between the AlTi5Bl grain-refiner and the AlCu6PbBi-melt
talina AlCu6PbBi. Tam se tudi delci Al3Ti in (Ti,Al)B2 najintenzivneje raztapljajo. Nekatere delce AbTi in (Ti,Al)B? odnesejo mikrokonvekcijski tokovi v podpo-dročje osnovne taline. Večina delcev se ob kontaktu s svežo talino AlCu6PbBi hitro raztopi. Tako se koncentraciji titana in bora, kakor tudi gostota ter velikost neraztopljenih delcev A^Ti in (Ti,Al)B2 zmanjšujejo od področja 1 preko prehodne cone do področja 3, koncentracija bakra pa narašča. Neke razlike se kažejo med področji z dobrim in slabim stikom med modifikacijsko zlitino in osnovno talino. V področju s slabim kontaktom je vidna začetna mejna površina AlTi5B l/AlCu6PbBi (A na sliki 1 in slika 2a). V prehodni coni tega področja sta koncentracijska gradienta predvsem bakra in titana v prehodni coni zelo ostra, prehodna cona je široka le -0.5 mm. To kaže, da poteka prenos snovi pretežno z difuzijo. V področju z dobrim kontaktom (B na sliki 1 in slika 2b) je prehodna cona široka tudi nekaj mm, koncentracijska gradienta titana in bakra sta precej manjša, koncentraciji pa tudi precej nihata. Zaradi neenakomerne porazdelitve prisotnih elementov in heterogenih delcev se
KfefeeffNliMiEiai&i
AIT i 5 B1
Slika 1: Področje interakcije med AlTi5Bl in AlCu6PbBi (SM) Figure 1: The interaction region between AlTi5Bl grain-refining alloy and AlCu6PbBi-alloy (LM)
Slika 3: Mikrostrukture v prehodni coni v področju dobrega stika med modifikacijsko zlitino (MZ) in osnovno talino AlCu6PbBi (OT) a) tik ob področju 1, b) 100 pin pred začetno mejo MZ/OT in c) 2 mm pred začetno mejo MZ/OT (REM)
Figure 3: Microstructure of the transient region at the plače of good contact between AlTiSB 1 grain-refiner and AlCu6PbBi-melt a) close to the region 1, b) 100 pm and c) 2 mm in front of the initial interface between grain-refiner and AlCu6PbBi-melt (SEM)

skozi prehodno cono spreminja mikrostruktura, ki nastane pri strjevanju. V prehodni coni ob meji s področjem 1 so poligonalna kristalna zrna ocai velika 10-30 pm (slika 3a). Na tem mestu sta gostota in velikost delcev AbTi ter (Ti,Al)B2 le malo manjši kot v področju 1. Na mejah kristalnih zrn je opazna obogatitev z bakrom, mestoma je prisoten tudi neravnotežni evtektik (ccai + AhCu). Z oddaljevanjem od področja 1 se velikost in število delcev AbTi ter (Ti,Al)B2, pa tudi koncentraciji titana ter bora zmanjšujejo, koncentracija bakra pa narašča. Na začetni meji AlTi5B l/AlCu6PbBi naraste velikost kristalnih zrn tudi do premera 50 pm (slika 2b). Njihova morfologija postane dendritna. V meddendritnih prostorih je vedno več neravnotežnega evtektika (ocai + AhCu), mestoma se pojavlja tudi evtektik (ocbi + (3pb). Dosedanje raziskave so pokazale, da se delci AbTi v večini primerov nahajajo v središčih kristalnih zrn (slika 2b), vendar je število ugotovljenih delcev AbTi precej manjše od števila kristalnih zrn matrice. Tako je utemeljena domneva, da tudi faza (Ti,Al)B2 učinkuje kot kristalizator, čeprav se delci te faze praviloma nahajajo na mejah kristalnih zrn.
V	področju pred začetno mejo med modifikacijsko in osnovno zlitino koncentracija bakra hitro naraste do nominalne vrednosti v zlitini AlCu6PbBi. V tem področju s hipoperitektično koncentracijo titana smo v središčih kristalnih zrn odkrili le delce (Ti,Al)B2 (slika 4a,b), medtem ko za prisotnost delcev AbTi ni zanesljivih dokazov. Do podobnega sklepa sta prišla tudi Johnsson in Backerud6, ki sta raziskovala kristalizacijske centre v čistem aluminiju ob dodatku različnih modifi-kacijskih zlitin tipa Al-Ti-B. Koncentracija bakra hitro doseže enako vrednost kot v področju 3, zato imajo kristalna zrna izrazito dendritno morfologijo z dobro razvitimi sekundarnimi in terciarnimi dendritnimi vejami (slika 3b). Velikost kristalnih zrn doseže že okoli 100 pm.
V	nedotaknjeni osnovni talini so enakoosna kristalna zrna cxai, navadno večja kot 1 mm. Ta kristalna zrna imajo dendritno morfologijo (slika 3c). V meddendritnih
>«■	« mmmm
#
(Ti,AI)B2 ► \
'	V
i* v . ,
Slika 4: Verjetni kristalizaeijski center (Ti,Al)B2 Figure 4: Possible crystallisation centre (Ti,Al)B2
prostorih je navadno prisoten neravnotežni evtektik oiai + AhCu ter kroglice evtektika (asi + Ppb).
Interakcija modifikacijske zlitine AlTi5Bl s talino AlCu6PbBi je podobna njeni interakciji s talinama zlitin Al 99,99 in sintetično izdelane zlitine Al-Cu. To pomeni, da manjše količine elementov v tržno dostopni zlitini AlCu6PbBi le malo vplivajo na način delovanja in s tem na učinkovitost modifikacijske zlitine AlTi5Bl.
4 Sklepi
V	delu je obravnavano taljenje in raztapljanje modifikacijske zlitine AlTi5B 1 v talini zlitine A16CuPbBi. Rezultati raziskav so pokazali, da se taljenje in raztapljanje modifikacijske zlitine AlTi5Bl pričneta na nekaterih mestih hitreje kot drugod zaradi nepopolnega omočenja rezine AlTi5Bl s talino AlCu6PbBi in zaradi prisotnosti nizkotaljivih mikrostrukturnih sestavin v modifikacijski zlitini, kar je v skladu z rezultati predhodnih raziskav3-5.
V	začetni stopnji raztapljanja AlTi5Bl v talini zlitine AlCu6PbBi se izoblikujejo tri področja:
-	področje staljenega Al-Ti-B
-	prehodna cona, v kateri poteka vzajemna difuzija elementov iz modifikacijske in osnovne zlitine ter raztapljanje delcev AbTi in (Ti,Al)B2
-	področje nemodificirane zlitine AlCu6PbBi. Zaradi difuzije titana in bora iz modifikacijske zlitine
v talino AlCu6PbBi in bakra v nasprotni smeri ter zaradi raztapljanja faz AbTi in (Ti,Al)B2 se skozi prehodno cono - tj. od področja AlTi5Bl do področja nemodificirane taline AlCu6PbBi - zmanjšuje koncentracija elementov iz modifikacijske zlitine ter pogostost delcev AbTi in (Ti,Al)B2, medtem ko koncentracija bakra narašča. Velikost enakoosnih kristalnih zrn ocai narašča od 10 do 30 pm na meji Al-Ti-B/prehodna cona do več kot 1 mm v področju Al-Cu. Hkrati z naraščanjem velikosti kristalnih zrn se spreminja tudi njihova morfologija iz poligonalne v dendritno. Pri raziskavah notranjosti kristalnih zrn je ugotovljeno, da so v področju z nad-peritektično koncentracijo titana kristalizatorji predvsem delci AbTi, v področjih s podperitektično sestavo pa po vsej verjetnosti tudi boridi (Al,Ti)B2.
Interakcija modifikacijske zlitine AlTi5Bl s talino AlCu6PbBi je zelo podobna njeni interakciji s talinama zlitin Al 99,99 in sintetično izdelane zlitine Al-Cu. To pomeni, da manjše količine elementov v tržno dostopni zlitini AlCu6PbBi le malo vplivajo na učinkovitost modifikacijske zlitine AlTi5B 1.
5 Literatura
1J Miiller, W. Siefer: Entwicklung wirksamer Impftechniken zur Er-reichung fehlerfreier Gussstticke aus Gusseisen mit Lamellengraphit und Gusseisen mit Kugelgraphit mit guten mechanischen Eigenschaf-ten unter Ausnutzung stromungstechnischer Moglichkeiten - Teil 1,
Giessereiforschung, 45, 1993, 3, 92-98
2	C. Pelhan, S. Spaic: Uber die Entstehung einer Reaktionsfront bei der Magnesiumbehandlung von Gusseisen mit Kugelgraphit, Giesserei-Praxis, 1989, 9/10, 133-141
3	F. Zupanič: Interakcija modifikatorja Al-Ti-B s talinami aluminijevih zlitin, Magistrsko delo, Ljubljana 1994
4	F. Zupanič, S. Spaič, A. Križman: Gefuge und Auflosung der Kom-feinungslegierung in der Al-Schmelze, Metali, 49, 1995, 10, 646-649
5	F. Zupanič, S. Spaic, A. Križman: Raztapljanje modifikacijske zlitine AlTi5Bt v talini zlitine Al-Cu, 36. Livarsko posvetovanje, Portorož 1995, 209-216
6	M. Johnsson, L. Backerud: Nucleants in Grain Refined Aluminium after Addition of Ti- and B-containing Master Alloys, Z. Metallkunde, 83,1992,11,774-780