Mikrostruktura zlitin aluminija z veliko koncentracijo železa izdelanih po postopku hitrega strjevanja Microstructure of Rapidly Solidified Aluminum AIloy with High Contents of Iron M.Bizjak, Gimnazija J. Vega Idrija L.Kosec, A.Smolej, Odsek za metalurgijo in materiale, FNT, Univerza v Ljubljani Mikrostruktura zlitin aluminija z veliko koncentracijo železa se po prerezu trakov, izdelanih po postopku hitrega strjevanja na vrtečem se kolutu, spreminja in je odvisna od koncentracije le-girnih elementov in debeline trakov. Atomi prehodnih elementov periodnega sistema so omejeno topni v trdnem aluminiju in imajo tudi majhno difuzijsko sposobnost. Izločki bogati s temi elementi so lahko z osnovo koherentni ali tudi ne. Povzročajo disperzijsko in izločevalno utrjevanje ter bistveno vplivajo na mehanske lastnosti tudi pri povišanih temperaturah. Ključne besede: hitro strjevanje, disperzijsko utrjevanje, izločki drobni, izločki grobi. Microstructure of rapid solidification aluminum alloy with high contents of iron produced on a single roller, changes the thickness of ribbon dependent on iron contents and ribbon thickness. Transition metals typically have limited solubility and low diffusivity in aluminum. Transition elements can form precipitates which are coherent or noncoherent with the matrics and cause age and dispersion - hardening and effects the mechanical properties of the elevated temperatures. Key words: rapid solidification, dispersion - hardening, fine precipitate, coarse precipitate. 1 Uvod Z uporabo postopkov hitrega strjevanja so v zadnjih desetih letih razvili tro in štiri komponentne zlitine na osnovi alummija in železa s pridanimi legirnimi elementi kot so: cerij, cirkonij, molibden, vanadij itd. Zlitine imajo dobre mehanske lastnosti tudi pri povišanih temperaturah1. Prehodni elementi imajo omejeno sposobnost difuzije. Difuzijske karakteristike omogočajo, da se zadržijo v prenasičeni trdni raztopini ali pa se izločajo drobni delci, ki so enakomerno porazdeljeni po osnovi. Nagnjenost prehodnih elementov k difuziji se sicer poveča z naraščajočo gibljivostjo atomov pri povišanih temperaturah, vendar sta mobilizacija in transport atomov še vedno omejeni, da ne nastajajo grobi delci. Tako nekoherentni in koherentni delci so stabilni pri povišanih temperaturah in povzročajo disperzijsko in izločevalno utrjevanje. Omenjeni delci so vzrok za povečanje trdnosti in modula elastičnosti, ki sta proporcionalna z volumenskim deležem delcev. Na preoblikovalnost in žilavost pa ima velik vpliv porazdelitev in velikost delcev.1 Pri velikih izločkih se pojavijo lokalne deformacije, ki so lahko vzrok za napetostno korozijo. Preoblikovalnost in žilavost sta pomembni lastnosti, zato ima uporaba postopkov hitrega strjevanja velik pomen pri izdelavi zlitin z velikim deležem majhnih izločkov. Pri izdelavi zlitin z omenjenimi postopki se laliko pojavljajo tudi veliki delci. 2 Eksperimentalno delo Hitro strjene trakove zlitin aluminija z železom smo izdelali po postopku hitrega strjevanja na vrtečem se kolutu. Debeline trakov preskusnih zlitin analiziranih na IMT s pomočjo klasične kemijske analize so podane v tabeli 12 Tabela 1. Debeline trakov zlitine Al Fe 8.2, izdelanih po postopku hitrega strjevanja na vrtečem se kolutu. Vzorec Povprečna debelina Opomba traku(um) 1 76 Kontinuirano liti trakovi 2 43 Kontinuirano liti trakovi 3 22 Diskontinuirano liti trakovi Zlitino aluminija z železom smo pod tlakom argona brizgali na vrteči se kolut. Za vsako debelino traku smo nastavili različne obodne hitrosti koluta m sicer od 29 do 45m/s. Mikrostrukturo trakov smo analizirali s svetlobnim mikroskopom (OM), rasterskim elektronskim mikroskopom Vzorec Povprečna debelina traku(um) Delež cone A % (REM) in transmisijsko elektronsko mikroskopijo (TEM). 3 Rezultati in diskusija Na nastanek trakov izdelanih po postopku hitrega strjevanja vpliva prenos toplote in gibnine.3 Toplotni tok je usmerjen pravokotno na kolut, medtem ko je smer prenosa gibnine vzporedna s smerjo vrtečega se koluta. Mehanizem nastajanja trakov ne vpliva samo na dimenzije, ampak tudi na mi-krostrukturo. Podhladitev taline je z neposrednim kontaktom s kolutom zelo velika, zato se začne strjevanje že v peti.3 Pri strjevanju se sprošča latentna toplota, ki jo moramo odvajati in zaradi prenosa toplote preko dodatne strjene plasti, so podhladitve taline ob ločnici dosti manj še in s tem tudi hitrosti nadaljnega strjevanja. Mikroskopske preiskave zlitine so potrdile, da zlitine nimajo enake mikrostrukture po debelini traku, temveč je sestavljena izdveh plasti (slika 1). Slika 1. Mikrostruktura vzdolžnega prereza traku.različnih debelin zlitine AlFe 8.2, pov. 500x Figure 1. Microstructure of longitudinal cros seetion for different ribbon thickness made of Al-Fe alloy with 8.2 mass°/o Cona A predstavlja mikrocelično zgradbo, ki vsebuje majhne precipitate, enakomerno porazdeljene po osnovi. S prehodom iz cone A v cono B se celice poveča jo tudi do 15 x, precipitati pa se zbirajo v stenah cclic.1 Volumenski delež drobne celične mikrostrukture se spreminja in je odvisen od debeline trakov in je podan v tabeli 2. Slika 2. Celična mikrostruktura zlitine Al Fe 8.2 na prehodu v cono B Figure 2. TEM micrograph of the ceilular microstructures passes into zone B for the Al-Fe alloy with 8.2 mass°/o Opisani postopek strjevanja pa ne velja preko celega preseka. Na sliki 3 in 4 vidimo zelo velike izločke v pasu traku, ki ga označujemo s cono B. Nameščeni so v sredmi Tabela 2. Delež drobne celične mikrostrukture v trakovih različnih debelin zlitine Al Fe 8.2 Zaradi velike podhladitve taline oziroma hitrosti strjevanja je difuzija na dolge razdalje omejena m s tem je tudi masni tok topljenca omejen. Pojavile se bodo kali faze bogate na aluminiju. Nastale kali rastejo v talini, presežna vrednost topljenca pa tvori stene celic. To pogojuje drobno celično mikrostrukturo. V prehodnem področju iz cone A v B se hitrost strjevanja manjša, zato se celice večajo, večj i pa so tudi izločki na stenah celic (slika 2). Velikost celic je proporcionalna hitrosti ohlajanja. Slika 3. Mikrostruktura zlitine AlFe 8.2, SEM sliki a in b ter TEM sliki c in d. Figure 3. Microstructure of longitudinal cros section of Al-Fe alloy with 8.2 mass%, REM (a, b) and TEM (c, d). lokalne strjevalne fronte. Po tem je moč sklepati, da najprej nastanejo kali faze, kije bogata na železu. Te faze rastejo toliko časa, dokler ni količina aluminija na mejni ploskvi trdne m tekoče faze dovolj velika, da povzroči nastajanje celične mikrostrukture, ki se razrašča radialno, dokler ne zadene na dmgo strjevalno fronto. Na mikroposnetkih vidimo zelo velike delce, ki se nahajajo v sredini lokalne strjevalne fronte. Dobljene rezultate dopolnjuje in ilustrira tudi analiza delai faze bogate na železu. Kristalna zgradba ugotovljena z uklonom elektronov pripada fazi Al13Fe4 Torej obstajata dve možni poti za začetek strjevanja. Ali se naj prej pojavijo ka li faze bogate na a luminij u, a li ka li faze bogate na železu? Nastanek kali je istočasen. Kali faze bogate na aluminiju se pojavijo na površini, kije v kontaktu s kolutom, medtem ko nastanejo kali faze bogate z železom 2