Preiskava kovinskih materialov s pomočjo DTA DTA Study of Metallic Materials Medved Ji, A. Smolej, A. Rosina, FNT Univerza v Ljubljani M. Pristavec, Republiška uprava za jedrsko varnost S pomočjo diferenčne termične analize (DTA) smo preiskovali nekatere zlitine aluminija in bakrovo zlitino. Iz dobljenih termogramov smo skušali analizirati procese, ki potekajo v zlitinah. Rezultati kažejo, da je DTA preiskovalna metoda, ki je zelo uporabna pri karakterizaciji kovinskih materialov kot samostojna metoda ali kombinirano z drugimi metodami. Ključne besede: DTA, zlitine Al in Cu Differential thermal analysis (DTA) was applied in the investigations of Al and Cu alloys. The obtained thermograms vvere the basis for analyzing processes vvhich are occurring in the alloys. The results shovv that DTA is a method vvhich is very useful for characterization of metals and alloys. Key vvords: DTA, Al and Cu alloys 1. Uvod Diferenčna termična analiza (DTA) je metoda termične analize, ki temelji na merjenju temperaturne razlike (AT) med preiskovanim in termično stabilnim (inertnim) vzorcem. Temperaturno razliko lahko zapišemo v odvisnosti od časa trajanja preizkusa ali od temperature sistema. Označuje jo sprememba entalpije v vzorcu, ki je posledica nekega procesa. Ti procesi so lahko fazne transformacije, taljenje, izparevanje, izločanje, oksidacija, redukcija itd. Spremlja jih porabljanje ali sproščanje energije, kar je na krivulji izraženo v obliki negativnega ali pozitivnega pika. DTA lahko uporabimo pri preiskavah različnih organskih in anorganskih snovi kot samostojno preiskovalno metodo ali v kombinaciji z drugimi. Namen te raziskave je bil preiskati nekatere kovinske materiale s pomočjo DTA. 2. Eksperimentalno delo Uporabili smo napravo DTA Typ 701. firme Biihr Thermo-analyse. ki je prikazana na sliki I. Napravo sestavljata peč in elektronski del. Peč ima dva grelna elementa (nad in pod nosilcem vzorca) v obliki plošče, ki omogočata homogeno temperaturno polje v prostoru z vzorcema. Kot nosilec vzorca in senzor služi kovinska ploščica, na katero so pritrjene žice termoelemetov (temperatura vzorca in AT). kar omogoča dober stik med senzorjem in lončkom ter uporabo lončkov različnih velikosti in materialov (AKO,. platina. grafit ...). Vodenje preizkusa in izvrednotenje rezultatov poteka računalniško. Preizkusi so potekali pri hitrosti ogrevanja in ohlajanja 10 K/min in v varovalni atmosferi argona. mag Jože MEDVED, dipl. inž. met. Fakulteta za naravoslov je in tehnologijo Odsek /a metalurgijo in materiale Aškerčeva 12,61000 Ljubljana inertni vzorec vodno hlajenje grelna elementa vodno hlajenje Slika I: Shema peči naprave za DTA Typ 701 (Biihr Termoanalvse) Figure I: Scheme of furnace of DTA Typ 701 (Biihr Thermoanalyse) Opravili smo večje število preiskav aluminijevih zlitin in zlitine Cu-Ag s pomočjo DTA. V nadaljevanju prikazujemo nekaj najznačilnejših primerov. Oznake in kemične sestave aluminijevih zlitin so zbrane v tabeli I. Tabela I: Kemične sestave Al zlitin (v m. 9c) Table I: Chemical composition of Al al!oys (mass 7c) Zlitina Si Fe Cu Mg Mn Ostalo AC42 1,10 0,35 0.07 1,04 0.71 Pb:0,57. Bi:0.60 D41 0.15 0,17 3,91 1,00 0,62 Pb: 1,12 Mil* do 0.3 do 0.7 0,05-0,2 1,0-1.4 Zn do 0,1 AS6I 11.5-12, ,5 do 0,4 0,8-1,2 1,1-1.3 do 0.15 Ti.Zn do 0.15 * kemična sestava po standardu 3. Rezultati in diskusija S.I Zlitine aluminiju Zlitina AC42 (AlMgSiPb) je bila ulita po polkontinuirnem postopku v drogove s premerom 165 mm. Preiskave z DTA so bile narejene s preizkušanci. ki so bili izrezani iz drogov v ulitem stanju- Mikrostruktura zlitine sestoji i/, različnih faz na osnovi glavnih in pomožnih legirnih elementov: (I) Al, (2) Si, (3) Mg.Si. (4) Al.Fe.Si.Mn. (5) Al.Fe.Mn.Mg.Si. Kvantitativna analiza deleža faz ni bila izdelana. Po literaturnih podatkih1 1 so lahko prisotne v mikrostrukturi naslednje faze: Al, Si. Mg,Si. Al,5(FeMn),Sil:. in Ak(FeMn)Mg,Si„. Prvo nataljevanje mikrostrukturnih sestavin v zlitini, ki je bilo določeno z DTA (slika 2) pri temperaturi 559°C, sovpada s temperaturo možne evtektične reakcije (555°C - 547°C)': Al + Als(FeMn)Mg;Si(, + Mg,Si = liq Temperatur - cta : e*O U—-K^t-- 592.6C f 556. / \ \ \ j- 400 450 500 550 500 650 700 *C Slika 2: DTA zlitine AC42; segrevalna krivulja Figure 2: DTA of AC42 alloy; heating curve Drugo izrazitejše nataljevanje pri 574°C pa sovpada s temperaturo evtektične reakcije (578°C)': Al + B(AlFeSi) + Si = liq Slika 3 prikazuje segrevalne krivulje štirih različnih aluminijevih zlitin. Temperatur - DTA i / 3 \ 532.5'C 594.6'C " - J- 651 9'C / - t // 7\\ \ 1 \ 2 // 1 512.2'C \ \\ \ \\ J) \ i {J \ i 400 450 500 550 600 650 700 'C 1: AC42 3: Mil 2: D41 4: AS61 Slika 3: DTA Al zlitin: segrevalne krivulje Figure 3: DTA of Al allovs; heating curves Mikrostruktura zlitine D41 (AlCuMgPb) v ulitem stanju je sestavljena iz osnove zmesnih kristalov aluminija in različnih in-termetalnih faz oz. mikrostrukturnih sestavin. Prvo znatno nataljevanje mikrostrukturnih sestavin v preizkušani zlitini je pri temperaturi 512°C. Ta temperatura je najbližja tališču evtektika (Al + Al,Cu + AUCuMgi. ki znaša po literaturnih podatkih4 507°C. Pri zlitinah Mil (AIMnCu) in AS61 (AlSil2) smo ugotavljali temperaturo, pri kateri se zlitina prične nataljevati. Zlitina Ml 1. ki vsebuje malo zlitinskih elementov, se tali podobno kot čisti aluminij, zlitina AS61 pa se prične taliti pri temperaturi 533°C. J.2 Zlitina Cu-Ag Slika 4 prikazuje pet krivulj DTA /litin Cu-Ag z različnimi deleži srebra (3.5, 5. (i, 7 in S mM), ki so bile izdelane z namenom razvoja in opredelitve zlitin skupaj z drugimi preiskovalnimi metodami (svetlobna mikroskopija. TEM, EDS. rentgenska difraktometrijaf. Na krivuljah od 2-5 (slika 4) zasledimo pik pri 774 C. ki sovpada s temperaturo evtektika v sistemu Ag-Cu, ki se nahaja pri 780°C". Vidimo tudi, da se površina pikov povečuje / deležem srebra, ker se povečuje delež neravnotežnega evtektika v mikrostrukturi. Istočasno se / deležem srebra k nižjim temperaturam pomika tudi solidus točka. Temperatur - DTA 773.9'C / 5 J / 7 3 700 750 600 650 900 950 1000 1050 'C 1: 35AE 3: 60AG 5: 60A6 2: 50AG 4: 70AG Slika 4: DTA zlitin Cu-Ag, segrevalne krivulje Figure 4: DTA of Cu-Ag allovs. heating curves 4. Zakl juček Namen raziskave je bil preiskati nekatere kovinske materiale s pomočjo diferenčne termične analize. Uporabili smo napravo DTA Typ 701 firme Biihr Thermoanalvse, ki omogoča enostavne in natančne preiskave ter računalniško izvrednotenje rezultatov. Termogrami, ki smo jih dobili pri preiskavi zlitin aluminija, kažejo, da potekajo pri ogrevanju teh zlitin določeni procesi (evtektikine reakcije, nataljevanje, taljenje), ki se dobro ujemajo z literaturnimi podatki. Zlitine Cu-Ag smo preiskovali s pomočjo DTA. /. namenom, da bi odkrili fazne premene, vendar je bila DTA le ena izmed uporabljenih metod. Zaključimo lahko, daje DTA preiskovalna metoda, ki je zelo uporabna pri karakterizaciji kovinskih materialov kot samostojna metoda ali v kombinaciji z drugimi metodami. Literatura 1 Backerund L.. E. Krol, J. Tamminen: Solifidication Characteristics of Aluminium Allovs. Vol.l: Wrought Allovs, University for laget AS. Oslo, 1986, str. 133 ; Metals Handbook, Volume 9, Metallography and Microstructure. Ninth Ed„ ASM, Ohio, 1985 ' Reiso O.: The Effect of Composition and Homogenization Treatment on Extrudability of AlMgSi Allovs, Proc. 3rd Int. Aluminium Extrusion Technology Seminar. Atlanta GA. Aluminium Association. Vol.l. 1984, str.31 -40 J Mondolfo L. F.: Aluminium Aloys: Structure and Properties. mButtervvorths. London-Boston, 1976 5 Pristavec M.. S. Spaic: Mikrostruktura v izhodnem litem stanju /litin Cu-Ag z dodatki cirkonija, zbornik 34. livarskega posvetovanja. Portorož 1993, str.283-289 '' Massalski T. B.: Binary allov phase diagrams. see. ed.. Vol.l. ASM International. The Materials Information Societv, Materials Park. Ohio 44073.1990