Vpliv parametrov pri kontinuirnem litju na mikrostrukturo zlitine Cu-Cr-Zr
Influence of Continuous Casting Parameters on Microstructure of Cu-Cr-Zr Alloy
I. Anžel, A. Križman, Tehniška fakulteta, Maribor L. Kosec, S. Spaič, FNT Montanistika, Ljubljana,
Lastnosti zlitine Cu-Cr-Zr so pri sedanjem načinu izdelave odvisne predvsem od kemične sestave in termomehanske obdelave. Raziskave izdelave te zlitine s postopkom vakuumskega taljenja in kontinuirnega litja so nakazale možnost doseganja gašenega stanja že po strjevanju. Tako odpade raztopno žarjenje, močno pa naraste vpliv mikrostrukture izhodnega litega stanja na dosežene končne lastnosti zlitine. Na osnovi znanih parametrov za celično strjevanje zlitine Cu-Cr-Zr smo raziskali možnost doseganja drobne celične mikrostrukture pri kontinuirnem litju.
Ključne besede: baker-krom-cirkonij zlitina, strjevanje, celična mikrostruktura, kontinuirano litje
In the present manufacturing process the properties of Cu-Cr Zr alloy depend mainly on chemical composition and thermomechanical treatment. Research vvork on the manufacturing of this alloy using vacuum meiting and continuous casting processes indicated a possibility of attaining the quenching state immediately after the solidification. The solution treatment becomes unnecessary and the influence of the as čast microstructure is largely increased. Based on the knovvn parameters for cellular solidification of Cu-Cr-Zr alloy the possibilities of attaining fine cellular microstructure in continuous casting were investigated.
Key vvords: Copper-Chromium-Zirconium Alloy, solidification, cellular microstructure, continuous casting
1 Uvod
Elektrode za uporovno varjenje morajo pri svojem delu pri povišani temperaturi prenašati velike tlačne obremenitve, prevajati velike gostote električnega toka in odvajati toploto.Takšne lastnosti lahko dosežemo pri malolegi-ranih izločevalno utrjevalnih bakrovih zlitinah, med katere prištevamo tudi zlitino Cu-Cr-Zr. Dosežene mehanske lastnosti so pri izdelavi te zlitine odvisne predvsem od izbire kemijske sestave, pogojev pri strjevanju ter nastale mikrostrukture in od nadaljne termomehanske obdelave1-3.
Mikrostruktura v litem stanju je odvisna od pogojev kristalizacije, oziroma od hitrosti rasti strjevalne fronte — Vsj in od velikosti temperaturnega gradienta na strjevalni fronti — G. V litem stanju želimo doseči drobno celično mikrostrukturo z velikim prenasičenjem matice qqi, ter majhnim deležem medceličnega cvtcktskega zloga (acu + /3cr).Takšna mikrostruktura litega stanja omogoča popolnejšo homogenizacijo, oziroma daje možnost, ob zadostnem prenasičenju matice oc„, direktnega staranja izhodne lite mikrostrukture.
Zaradi velikega vpliva procesa strjevanja na lastnosti zlitine Cu-Cr-Zr, se kot alternativa pri izdelavi izdelkov pojavljajo tehnologije litja, ki omogočajo kontroliran oziroma voden proces strjevanja.
Na osnovi ugotovljenih pogojev za celično strjevanje te zlitine4 smo na laboratorijski napravi za kontinuimo litje raziskali možnosti doseganja usmerjene celične mikrostrukture ter zasledovali vpliv spremembe parametrov kontinuirnega litja na mikrostrukturo zlitine Cu-Cr-Zr.
2 Eksperimentalno delo
Doseganje ugodne celične mikrostrukture pri kontinuirnem litju zlitine Cu-Cr-Zr, smo raziskali na laboratorijski napravi za vakuumsko taljenje firme Leybold Heraeus IS 1,5 in vertikalno kontinuimo litje firme Technica Guss. Naprava je sestavljena iz vakuumske indukcijske peči in minikon-tilivnega sistema.
Za poskuse smo uporabili že izdelano zlitino Cu-Cr-Zr z 1.11% Cr in 0.12% Zr. 15 kilogramske šarže smo talili v elektrografitnem loncu, ki je imel na dnu izdelano odprtino za sprejem grafitne kokile z. livno odprtino O = 16 mm. Tlak je v fazi taljenja znašal od 10"1 do 10° mbar. Pred začetkom kontinuirnega litja smo v vakuumsko posodo uvedli argon, tako daje absolutni tlak argona v posodi znašal 1150 do 1200 mbar, kar pomeni da smo vlivali z relativnim nadtlakom argona 150 do 200 mbar. Na ta način smo preprečili vdor zraka v vakuumsko posodo med kontinuimim litjem.
Mikrostrukturne raziskave smo opravili s svetlobno in elektronsko mikroskopijo ter EDX mikroanalizo. Z meritvami trdote in električne prevodnosti smo zasledovali lastnosti zlitine.
3 Rezultati in diskusija
Pri kontinuirnem litju palic smo uporabili način dela s ciklusom: poteg-mirovanje-poteg. Pregled pogojev pri preizkusih je podan v tabeli I.
Tabela 1. Pogoji preizkusov kontinuimega litja zlitine Cu-Cr-Zr
Parameter litja	Preizkus			
	Ci	c2	G	c4
Temperatura (°C)	1250	1250	1250	1250
Poteg (mm)	2	2	2	3
Cas mirovanja (s)	0.3	0.2	0.3	0.2
Hitrost potega (mm/s)	6.6	6.6	20	20
Kol. hlad. vode (l/min.)	20	20	26	26
Aksialna hitrost (mm/s)	3	4	5	8.5
Pri preizkusih C\ in č'?, kjer srno kontinuimo lili z osno hitrostjo 3 oziroma 4 mm/s, smo dosegli osno usmerjeno rast kristalnih zm po celotnem preseku (slika la). Zadostno ohlajanje v primarnem hladilnem sistemu je povzročilo prevladovanje osne komponente odvoda toplote in s tem omogočilo osno kristalno rast. Zaradi prednostne osne rasti kristalnih zm lahko rečemo, daje bila hitrost rasti strjevalne fronte enaka osni hitrosti kontinuimega litja.
v o?cu matrici in je pri celičnem strjevanju dosegla vrednost 0.9%.
Z večanjem hitrosti strjevanja se difuzijska razdalja pred strjevalno fronto (<*> - D/\'sJ) krajša, mikrostruktura postane finejša, s tem pa se povečuje vpliv kapilarnosti na morfologijo strjevalne fronte. Pri takšnih pogojih je den-dritna mikrostruktura za difuzijske procese pregroba in strjevanje preide v celično.
Tabela 2. Primerjalni pregled mikrostruktumih značilnosti, porazdelitve kroma in lastnosti kontinuimo ulitih palic
Vzorec	Trdota	El. prevodnost	CCr	A
	HB 2.5/62.5	(m/fimnr)	(mas. %)	(/zm)
Ci	90	22	0.7	25
c2	100	18	0.9	10
r3	82	30	0.8 - rob	18 - rob
			0.5 - not.	31 - not.
c4	78	30	0.8 - rob	19 - rob
			0.4 - not.	40 - not.
a)
b)
Slika 1. Makrostruktura kontinuimo litih palic; Makro 3:1; Vzdolžni prerez a) Osno usmerjena rast kristalnih zm (preizkusa C\ in <";); b)
Prečna rast kristalnih zm (preizkusa C3 in C4). Figure 1. Macrostructure of continuously čast rods; tnagn. 3 times;
Longitudinal cross seetion a) Axially oriented growth of crystal grains (Tests <", and CS); b) I^leral grovvth of crystal grains (Tests C} and C4).
Pri preizkusu C'1, kjer smo lili z hitrostjo 3 mm/s, je nastala osno usmerjena dendritna struktura, z evtektsko strjeno preostalo talino v meddendritnem prostoru (slika 2a). S povečanjem hitrosti rasti strjevalne fronte na 4 mm/s smo dosegli pogoje za celično strjevanje (\'sj > 3.5 mm/s), kar potrjuje tudi nastala mikrostruktura (slika 2b). Pri preizkusu ('2 je nastala drobna osno usmerjena celična struktura z veliko prenasičenostjo kroma v primarni a(-u fazi (tabela 2) in z majhnim deležem medceličnega evtek-tika. Celice primarne faze oCu, ki rastejo vzporedno odvodu toplote, potiskajo raztopljene elemente krom in cirkonij (I\ < 1) v talino pred seboj, ter bočno na meje celic, kjer se s topljencem obogatena talina strjuje kot evtektik oCu+Qcr)-Cirkonij se nahaja raztopljen v alfa zmesnem kristalu, razen tega pa ga zasledimo še v obliki izločenih kompleksnih primarnih cirkonidov v medceličnent prostoru. Z naraščanjem hitrosti strjevanja se je povečala tudi prenasičenost kroma
Z namenom, da bi povečali hitrost rasti strjevalne fronte, ter tako dosegli še tinejšo celično strukturo, smo nadaljne preizkuse kontinuimega litja izvedli pri večjih osnih hitrostih litja z intenzivnejšim hlajenjem primarnega hladilnega sistema (preizkusa C3 in Pri tem je zaradi nezadostnega hlajenja v trdnem prevladovala radialna komponenta odvoda toplote, kar je povzročilo prevladujočo prečno rast kristalnih zm (slika lb). Pri prečni rasti pa povzroči nastanek zračne reže v primarni kokili velike razlike v mikrostrukturi med robnim delom in notranjostjo kontinuimo lite palice. V robnem delu palice je zaradi hitrega strjevanja nastala drobna celična struktura (A = 10 //nt) z veliko prenasičenostjo kroma v primarni fazi oCu (tabela 2).
Z nastankom zračne reže se je hitrost odvajanja toplote in s tem hitrost strjevanja močno zmanjšala, kar je povzročilo prehod v izrazito dendritno strjevanje z močno razraščenimi sekundarnimi dendritnimi vejami in majhno prenasičenostjo kroma v primarni fazi aCu (tabela 2).
4 Zaključki
Na laboratorijski napravi za kontinuimo litje smo raziskali možnosti doseganja usmerjene celične mikrostrukture.
Pri osni hitrosti litja 4 mm/s lahko z zadostnim hlajenjem dobimo osno usmerjeno rast kristalnih zm, kar omogoča približevanje dejanske hitrosti rasti strjevalne fronte osni hitrosti kontinuimega litja in nastanek drobne celične mikrostrukture.
Pri tako nastalih celicah smo dosegli prenasičenost kroma v matici večjo od maksimalne topnosti, kar omogoča direktno staranje izhodne lite mikrostrukture.
Pri preizkusih z večjo osno hitrostjo litja prevladuje zaradi nezadostnega hlajenja prečna komponenta odvoda toplote, oziroma prečna rast kristalnih zrn. Ta pa povzroči nastanek zračne reže v primarni kokili in s tem velike razlike v mikrostrukturi med robom in notranjostjo strjene palice.
Pri dobljeni drobni celični mikrostrukturi z zadostno prenasičenostjo acu matice lahko pričakujemo, da bi že z razmeroma kratkimi časi staranja dobili mikrostrukturo z uporabnimi lastnostmi.
/ —>
a)
c
Slika 2. Mikrostruktura kontinuirno litih palic; Vzdolžni prerez; REM; a) Vzorec C,; b) Vzorec C V. c) Vzorec Cy, d) Vzorec C4. Figure 2. Microstructure of continuously čast rods; Longitudinal cross section. SF:M; a) Sample C,; b) Sample C2: c) Sample C 3;
d) Sample C4.
5 Literatura
' S. Spaič. A. Križman, M. Pristavec: Makro- in mikrostruktura zlitine Cu-Cr-Zr v izhodnem litem stanju; 31. Livarsko strokovno posvetovanje; Portorož; 1989;
: S. Spaič. V. Marinkovič. A. Klemenčič: Vpliv različnih dodatkov na strukturo in lastnosti zlitine
Cu-Cr-Zr; Rudarsko metalurški zbornik; Ljubljana 30, 1983, s. 259-267
3	S. Spaič, A. Križman: Litje posebnih bakrovih zlitin; 6. Kongres livaca; Budva; 1982;
4	I. Anžel. A. Križman: Vpliv ohlajevalnih pogojev na mikrostrukturo litega stanja zlitine Cu-Cr-Zr; 33. Livarsko strokovno posvetovanje; Portorož; 1992;