ISSN 1318-0010
KZLTET 32(1-2)041(1998)
RAZTAPLJANJE SILICIJA V PODEVTEKTIANI TIKSOTROPNI ME[ANICI Al-Si
DISSOLVING OF SILICON IN AN HYPOEUTECTIC THIXOTROPIC
MIXTURE Al-Si
GORAZD LOJEN, I. AN@EL, A. KRI@MAN
Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojni{tvo, Smetanova 17, 2000 Maribor
Prejem rokopisa - received: 1997-10-01; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-12-19
Razvili smo model postopka izdelave kompozitov s "sintezo tiksotropnih me{anic". Postopek re{uje problem omo~ljivosti in hkrati omogo~a variiranje deleev posameznih faz v kompozitu. Obsega tri korake: izdelavo izhodnih tiksotropnih me{anic, sintezo izhodnih dvofaznih tiksotropnih me{anic v kompozitno me{anico in strjevanje. Tako izdelani kompoziti v splo{nem vsebujejo termodinamsko nekompatibilne primarne faze, ki so neposredno po sintezi, preden se kompozit strdi, nestabilne, in te'ijo k hitremu razpadu. V prispevku so predstavljeni izsledki {tudija raztapljanja Si v podevtekti~ni tiksotropni me{anici Al-Si. Klju~ne besede: kovinski kompoziti Al-Si, sinteza tiksotropnih me{anic, raztapljanje Si
A processing model for the production of metal matrix composites by the "synthesis of thixotropic mixtures" was developed. By this process the problem of wettability is solved and variations of the phase fractions in the composite are enabled. The process includes three steps: preparation of precursive thixotropic mixtures, the synthesis of the precursive two - phase thixotropic mixtures into a composite one, and its solidification. Composites, produced by this process, generally contain thermodynamically incompatible primary phases, which tend to disintegrate before the composite is solidified. In this paper the results of our study of dissolving of Si in an hypoeutectic thixotropic Al-Si mixture are presented.
Key words: metal matrix composites, synthesis of thixotropic mixtures, dissolving of Si
1 UVOD
Po postopku "sinteze tiksotropnih me{anic"1) smo izdelali dve kompozitni me{anici: podevtekti~no, AlSi10 in nadevtekti~no, AlSi20. Mikrostrukturi obeh vsebujeta a ai, primarni Si ter evtektik. Izhodni tiksotropni me{anici sta bili v obeh primerih zlitini AlSi7 in AlSi40.
Za uspe{no proizvodnjo tak{nih kompozitov v ve~jem obsegu, in seveda tudi za njegovo prakti~no uporabnost (npr. tikso-litje in tikso-kovanje), je k|ju~nega pomena obstojnost primarnih trdnih faz v temperaturnem obmo~ju med Ts in Tl kompozitne me{anice.
Ci|j v nadaljevanju prispevka opisanih ekperimentov je bil ugotoviti hitrost raztapljanja Si - kristalov v teko~i fazi Al-Si ob prisotnosti trdne faze aAl.
1	Si - paličica, d = 10mm Si - stick, d = 10mm
2	tiksotropna zlitina AISi7 thixotropic AISi7 alloy
3	motor motor
4	grafitni lonec graphite crucible
5	grafitni lonec graphite crucible
6	kovinska kopel metal bath
7	termoelement thermocouple
8	regulacija temperature temperature control
9	uporovni grelnik resistance heater
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-2
2	IZVEDBA EKSPERIMENTOV
Hitrost raztapljanja primarnih faz smo ugotavljali z modelnim eksperimentom. Eksperimentalno napravo prikazuje slika 1.
Rotirajo~o silicijevo pali~ico s premerom 10 mm smo potopili v delno staljeno (a + L) tiksotropno zlitino AlSi7. Na osnovi izgube mase Si - pali~ice smo ocenjevali hitrost raztapljanja Si v razmerah prisilne konvek-cije. Hkratna rotacija Si - pali~ice okoli lastne osi in po obodu lon~ka je zagotavljala dobro me{anje in izena~evanje koncentracije Si v tiksotropni zlitini AlSi7.
3	REZULTATI
Rezultati poskusov, izvedenih pri razli~nih temperaturah tiksotropne zlitine AlSi7 z rotirajo~o in mirujo~o silicijevo pali~ico, so zbrani v tabeli 1.
Tabela 1: Hitrost raztapljanja silicija v tiksotropni zlitini AlSi7 Table 1: Dissolving rate of silicon in the thixotropic AlSi7 alloy
T (°C)			585	590	600	610	590*
At		(s)	300	300	300	180	630
Am (g)			2,5	6,0	6,6	7,3	1,1
Am At-Ä	s	g 2 mm	9,7.10-6	2,2.10-5	2,3.10-5	4,7.10-5	1,8.10-6
Am		mm	4,2	9,4	10,0	20,0	0,8
V-At-Ä		s					
T (°C) - temperatura tiksotropne zlitine AlSi7 / temperature of the thixotropic AlSi7 alloy
117
O O O
o o
Slika 1: Eksperimentalna naprava Figure 1: Experimental device
G. LOJEN ET AL.: RAZTAPLJANJE SILICIJA V PODEVTEKTIANI
At (s) - ~as raztapljanja / dissolving time Am (g) - raztopljena koli~ina Si / dissolved amount of Si A (mm2) - povpre~na kontaktna povr{ina Si pali~ice s tiksotropno zlitino AlSi7 / average contact surface of the silicon stick and thixotropic AlSi7 alloy
Am
AtA Am
_g_
smm
mm
s
- hitrost raztapljanja / dissolving rate
debelina plasti, ki se raztopi v ~asovni
çAt-A
enoti / thickness of layer, dissolved in unit of time
V
_g_
- gostota silicija / density of silicon
mirujo~a pali~ica / no rotation
4 DISKUSIJA
V	realnih razmerah izdelave kompozitne trofazne me{anice po postopku "sinteze tiksotropnih me{anic" poteka proces raztapljanja primarnih trdnih faz v teko~i fazi nekoliko druga~e kot pri izvedenih modelnih poskusih.
V	realnih razmerah delci primarnih trdnih faz niso prekriti z oksidno plastjo, ki bi ovirala za~etek raztapljanja, saj se izlo~ajo iz talin med ohlajanjem izhodnih zlitin v dvofazno podro~je. Modelni poskus pa je izveden s samo eno tiksotropno zlitino (podevtekti~no zlitino AlSi7) in z ulito silicijevo pali~ico. Pal i~ica je kljub bru{enju neposredno pred izvedbo poskusa prekrita s tanko oksidno plastjo, razen tega pa ima pred potopitvijo temperaturo okolice. Oboje povzro~i zakasnitev za~etka raztapljanja.
Sestava teko~e faze (slika 2) je neposredno pred za~etkom raztapljanja pri modelnem poskusu druga~na kot v realnih razmerah. Pri teh je sestava teko~e faze L nekje med L1 in L2. Lahko jo natan~no ugotovimo, saj poznamo koli~ino in sestavo teko~ih faz L1 in L2 v izhodnih tiksotropnih zlitinah. Pri modelnem poskusu pa ima teko~a faza pred za~etkom raztapljanja sestavo L1.
Kako vpliva za~etna sestava teko~e faze na potek raztapljanja primarnih trdnih faz, bo potrebno pojasniti z nadaljnjimi raziskavami.
TTC]
t
			1414-C
		L	
660,45°C			L + Si
\ L + CN. r			I
'X i	112,2 i i 1 i 1	577±rC	I a + Si ' I
Al aAI j L1 l2 at. % Si
izhodna tiksotropna mešanica 1 procursive thixotropic mixture 1
Slika 2: Sestava teko~e faze
Figure 2: Composition of the liquid phase
42
Si
izhodna tiksotropna mešanica 2 precursive thixotropic mixture 2
Pri prisilni konvekciji hitrost raztapljanja kontrolira kinetika prehajanja atomov iz trdnih delcev v talino2.
V termodinamsko nestabilni me{anici, ki je sestavljena iz aAi, primarnega Si in teko~e faze Al-Si, se hkrati raztapljata obe primarni trdni fazi, hitrost procesa pa je odvisna od tiste trdne faze, pri kateri je transport mase skozi mejno plast trdno - teko~e po~asnej{i. Aluminij se strjuje nefasetirano in ima ni'jo talilno entropijo kot silicij, ki kristalizira fasetirano, zato lahko njegovi atomi hitreje prehajajo v talino kot silicijevi.
Zelo verjetno je, da se v realnih razmerah delci aAl v prvi fazi procesa raztapljajo hitreje kot primarni Si - kristali, sestava teko~e faze pa se za~ne spreminjati. Koncentracija Al v teko~i fazi nara{~a, dokler ta ne dose'e neke "ravnote'ne" sestave blizu mejne vrednosti L1. Od tega trenutka naprej kontrolira hitrost raztapljanja obeh primarnih trdnih faz silicij, saj se lahko raztaplja samo {e toliko aluminija, kot je potrebno za ohranjanje dose'ene "ravnote'ne" sestave teko~e faze.
Pri izvedenih modelnih poskusih ima teko~a faza za~etno sestavo L1, zato domnevamo, da se sestava teko~e faze med raztapljanjem le nebistveno spremeni in je hitrost raztapljanja obeh primarnih trdnih faz ves ~as enaka.
Neposredni rezultat izvedene serije modelnih poskusov je koli~ina silicija, ki se je raztopila v dolo~enem ~asu. Na osnovi tega pa {e ni mogo~e sklepati o trajnosti primarnih trdnih delcev v kompozitni tiksotropni me{anici. Za napovedovanje njihove trajnosti je potrebno poznati, razen velikosti in oblike primarnih trdnih delcev, {e hitrost njihovega raztapljanja, izra'eno npr. kot izguba mase v ~asovni enoti na enoto povr{ine, g/(s.mm2), ali kot debelino plasti, ki se raztopi v ~asovni enoti, mm/s. V tabeli 1 so zbrane na oba na~ina izra'ene hitrosti raztapljanja silicija.
Izra~un hitrosti raztapljanja je temeljil na ve~ predpostavkah in poenostavitvah:
1) Raztapljanje Si - pali~ice se za~ne takoj, ko jo potopimo v tiksotropno zlitino AlSi7, brez zakasnitve
Slika 3: Oblika silicijeve pali~ice med raztapljanjem Figure 3: Shape of the silicon stick during dissolution
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-2
3
mm
*
G. LOJEN ET AL.: RAZTAPLJANJE SILICIJA V PODEVTEKTIANI
Slika 4: Shemati~ni prikaz razii~nih hipoteti~nih funkcjj r(t) Figure 4: Shematic presentation of different hypothetical r(t) functions
2)	hitrost raztapljanja je ves ~as poskusa konstantna (sestava teko~e faze se med poskusom ne spreminja, saj se hkrati raztapljata Si - pali~ica in trdni delci aAl, dobro me{anje pa zagotavlja konstanten koncentracijski gradient)
3)	oblika Si - pali~ice se zaradi njenega raztapljanja spreminja iz valja najprej v prisekan sto'ec, nato pa v koni~ast sto'ec; dokler ima potopljeni del pali~ice obliko prisekanega sto'ca, je sprememba dol' ine zanemarljiva -pali~ica se za~ne kraj{ati {ele, ko postane sto'~asti konec koni~ast, slika 3.
Hitrost raztapljanja smo definirali z izrazom:
(i)
AtA	V '
Kontaktna povr{ina A se spreminja s ~asom, zato na velikost povpre~ne kontaktne povr{ine vpliva funkcijska odvisnost kontaktne povr{ine A od ~asa t.
Ob upo{tevanju predpostavke 3), da ima Si - pali~ica obliko prisekanega sto'ca, je kontaktna povr{ina enaka:
A(t) = p-Vh2 + (R-r(t))2 • (R+r(t)) + p-r2(t) (2) mejni vrednosti radija prisekanega sto'ca pa sta: r = R v ~asu t = 0 in r = rk v ~asu t = At
Natan~no vrednost povpre~ne kontaktne povr{ine lahko izra~unamo v tem primeru z numeri~no integracijo ena~be (2), po ena~bi (3):
A =
- t=At
J A(t) dt
t=0
At
(3)
Preprostej{i, vendar manj natan~en je izra~un po ena~bi (4), pri katerem ni potrebno poznati funkcije A(t) oz. r(t):
__= A0+Ak A = 2
(4)
kjer sta A0 kontaktna povr{ina na za~etku raztapljanja in Ak kontaktna povr{ina ob koncu poskusa.
Ker funkcija r(t) v na{em primeru ni znana, smo v izra~unih hitrosti raztapljanja, podanih v tabeli 1, upo{tevali povpre~no kontaktno povr{ino, izra~unano po ena~bi (4).
Da bi lahko ocenili natan~nost teh izra~unov, smo za primerjavo izra~unali tudi povpre~no kontaktno povr{ino po ena~bi (3) za razli~ne hipoteti~ne ~asovne odvisnosti radija prisekanega sto'ca, in sicer:
-	za linearno (slika 4, krivulja 1) r = R - k1t,
-	za kvadratno (slika 4, krivulja 2) r = R - k2t2 in
-	korensko (slika 4, krivulja 3) r = R - k3-Vt
Bistveno druga~ne funkcijske odvisnosti bi bile verjetne le, ~e bi se hitrost raztapljanja med procesom mo~no spreminjala.
Vi{je potence n v izrazu r = R - ktn bi namre-pomenile, da raztapljanje v za~etku poskusa poteka zelo po~asi, proti koncu pa zelo hitro (slika 4, krivulja 4), ni'je pa, da je hitrost raztapljanja zelo velika na za~etku in zelo majhna proti koncu raztapljanja (slika 4, krivulja 5). Ker se med raztapljanjem razmere prakti~no ne spreminjajo in ostajajo parametri, ki vplivajo na hitrost raztapljanja (koncentracijski gradient AC in koeficient prehoda snovi K) konstantni, tak{no spreminjanje hitrosti raztapljanja ni realno.
Hitrosti raztapljanja, izra~unane z upo{tevanjem povpre~ne kontaktne povr{ine po ena~bi (3), se od tiste, izra~unane z upo{tevanjem ena~be (4), razlikujejo od +5% do najve~ -16% (pri korenski odvisnosti radija od ~asa). To ka'e, da ob vseh upo{tevanih predpostavkah na~in dolo-anja povpre~ne kontaktne povr{ine v uporabljeni metodi izra~una hitrosti raztapljanja silicija le malo vpliva na zanesljivost rezultata.
5	SKLEP
Hitrosti raztapljanja v tabeli 1 so orientacijske vrednosti, s katerimi lahko ocenimo trajnost trdnih primarnih faz v kompozitni trofazni me{anici in ~as, ki je na voljo za izdelavo le - te, pod pogojem, da dovolj natan~no poznamo za~etno velikost in obliko primarnih trdnih delcev.
Za zanesljivej{e ocene trajnosti primarnih trdnih delcev v trofaznih kompozitnih me{anicah Al - Si bo potrebno z nadaljnjim {tudijem in eksperimenti natan~neje ovrednotiti, tako predpostavke, na katerih temeljijo izvedeni izra~uni, kakor tudi rast primarnih faz med ogrevanjem in zadr'evanjem izhodnih tiksotropnih me{anic v dvofaznem podro-ju.
6	LITERATURA
1	G. Lojen, I. An'el, A. Kri'man: Sinteza tiksotropnih me{anic, Dru{tvo livarjev Slovenije, 38. livarsko posvetovanje, zbornik referatov, (1997) 212-224
2	D. E. Langberg, M. Nilmani: The production of nickel - zinc alloys by powder injection, Metallurgical and materials transactions B, 27B (1996) 781-787
43	KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-2

G. LOJEN ET AL.: RAZTAPLJANJE SILICIJA V PODEVTEKTIANI
3	D. Apelian, R. O'Malley, C. Dremann: Proc. ScaninjectII, Mefos and Jernkontoret, Lulea, Sweden, (1980) pp. 7:1-7:33
4	D. E. Langberg, C. Fan, M. Nilmani: Proc. 2nd Australian Asian Pacific course: Melt treatment and casting, The University of Melbourne, Australia, 1-4 July, 1991, pp. 16:1-16:11
5W. Kurz, D. J. Fisher: Fundamentals of solidification, third edition, Trans tech publications, Switzerland - Germany - UK - USA, 1989
44
KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-2