Izdelava zlitine aluminija z veliko koncentracijo železa po postopku hitrega strjevanja
Production of Rapidly Solidified Aluminium Alloys vvith High Contents of Iron
M. Bizjak, L. Kosec, A. Smolej, Oddelek za montanistiko FNT, Univerza v Ljubljani, Aškerčeva 20
Novejši razvoj postopkov hitrega strjevanja kovinskih materialov je omogočil izdelavo povsem novih aluminijevih zlitin. Za industrijsko uporabo sta pomembna postopka izdelave prahov z razprševanjem taline in izdelava trakov s hitrim strjevanjem taline na vrtečem se kolutu. Po postopku hitrega strjevanja smo izdelali skupino aluminijevih zlitin s koncentracijo železa do 8 masnih %. V ta namen smo izdelali napravo za hitro strjevanje na vrtečem se kolutu in na trakovih zlitin aluminija z železom opravili mikrostrukturno in fazno analizo. Raziskali smo mikrostrukturne spremembe po debelini traku v odvisnosti od koncentracije železa in poiskali teoretično razlago za nastalo mikrostrukturo.
Ključne besede: hitro strjevanje, strjevanje na vrtečem se kolutu, peta, tanek trak, prenasičenje
Recent progress in the rapid solidification processing of metallic materials enabled production of new aluminium alloys. The most industrial significant techniques fall into tvvo broad categories: atomization and melt spinning. We prepeared aluminium-iron alloys vvith Fe contents of up to 8 wt pet by rapid solidification. The ribbons used in this vvork vvere produced by melt spinning. For a given ribbons we have investigated systematically the rapidly-solidified microstructures. Microstructural changes aeross the thickness of ribbons vvere investigated as a function of contents iron in aluminium alloys and the characteristics of solidification struetures vvas theoretically explained.
Key vvords: rapid solidification, melt spinning, puddle, ribbon, supersaturation
1 Uvod
V zadnjih desetih letih se uveljavlja postopek hitrega strjevanja za izdelavo povsem novih materialov na osnovi aluminija, ki imajo znatno boljše lastnosti od klasičnih. Obsežne raziskave so potekale tudi na področju izdelave temperaturno obstojnih zlitin sestav Al-Fe-X (X = Ce,Mo,Co,Zr,V,Mn)'.
Danes poznamo vrsto postopkov hitrega strjevanja od katerih sta le dva komercialno zanimiva in temeljita na izdelavi prahov in tankih trakov. Prahovi se izdelujejo s plinskim razprševanjem taline, medtem ko se trakovi izdelujejo po postopku hitrega strjevanja na vrtečem se kolutu. Izbrani postopek je odvisen od vrste kovine ali zlitine, oblike in namembnosti izdelka, ekonomičnosti, varnosti in vrsta drugih dejavnikov.
Postopek izdelave tankih trakov sestavlja brizganje taline na vrteči se bakreni kolut, ki zagotavlja dober prenos toplote. Talina se strdi s hitrostjo 105oC/s za debeline trakov 80 //m in 107oC/s za debeline pod 20 //m, ki se nato zdrobijo v drobne delce:. Zdrobljeni trakovi se nadalje zgostijo na izostatičnih stiskalnicah in oblikujejo z iztiskavanjem v končne izdelke'.
Med hitrim strjevanjem se zelo poveča topnost zlitinskih elementov v zmesnih kristalih aluminija, kar je pomembno za izdelavo zlitine aluminija z visoko koncentracijo železa. Neraztopljene faze so drobno in enakomerno porazdeljene v matrici. Zlitine Al-Fe izdelane po postopku hitrega strjevanja imajo dobre mehanske lastnosti, ki so obstojne v temperaturnem območju 20-300°C4. Temperaturna obsto-
jnost je posledica drobnih delcev v aluminijevi matrici, ki so produkti disperzijskega ter izločevalnega utrjevanja.
2 Eksperimentalni del
Slika 1. Shematična predstavitev pete. ki jo oblikuje talina ob kontaktu s površino valja5. Figure 1. Schematic presentation of the puddle vvhich is formed by the melt in contact vvith the roll surface5.
Za izdelavo trakov binarne zlitine Al-Fe s koncentracijo železa od 4 do 8 masnih % je bila izdelana naprava za hitro strjevanje na vrtečem se bakrenem kolutu. Talina je iztekala skozi šobo pod kotom na površino valja, ki se je gibal z obodno hitrostjo 29 m/s. Pri kontaktu raztaljene zlitine s površino nastaja peta (slika 1), preko katere je vzpostavljen
neposreden kontakt s površino koluta tako, da je omogočen prenos toplote in strjevanje.
Strjena plast se pospeši na obodno hitrost koluta, odvoji iz. bolj ali manj statične pete v kateri se zadržuje določena količina raztaljene zlitine. Pretok taline je podan z enačbo Q = V ■ d ■ š in je bil voden z nadtlakom argona. Mehanizem za izdelavo trakov je bil kontroliran s prenosom toplote in gibnine. Mikrostruktumo analizo izdelanih trakov smo analizirali s svetlobnim mikroskopom (OM), rasterskim elektronskim mikroskopom (REM) in transmisijsko elektronsko mikroskopijo (TEM). Za svetlobno mikroskopijo smo uporabili metalografske obruse, pripravljene z običajno preparativno mehansko tehniko. Vzorce smo jedkali s Kellerjevim jedkalom. Iste vzorce smo preiskali tudi v REM. Za opazovanje pod TEM in EDS (semi kvantitativno analizo), smo uporabili tanke folije pripravljene brez. predhodnega tanjšanja po postopku okenc v elektrolitski cclici z elektrolitom desetih delov perklorne kisline in devetdesetih delov etanola pri temperaturi — 10°C.
3 Rezultati in diskusija
Debeline trakov preizkusnih zlitin analiziranih na IMT s pomočjo klasične kemijske analize, so podane v tabeli 1.
Tabela 1. Debeline trakov zlitine aluminija z železom, izdelanih po postopku hitrega strjevanja na vrtečem se kolutu.
Vzorec	Zlitina (Alloy)		d m in	d 7 n a T	d
(Sample)	Al (%)	Fe (%)	//m	fim	fim
1	100	0	54	68	60.1
2	95.3	4.7	58	69	62.5
3	93.7	6.3	62	74	69.8
4	91.8	8.2	67	84	76
>■■»11111111 Ml .........•mmmmm.................................II i	■»NI*«*«
Slika 2. Mikrostruktura vzdolžnega prereza traku zlitine Al-Fe 4.7%,
pov. 500x. Neznatno jedkan pas traku je označen s cono A in prehaja v močno jedkan pas označen s cono B.
Figure 2. Microstructure of longitudinal cross seetion of strip made of Al-Fe alloy with 4.7% Fe. Magn. 500 times. Insignilicantly etched band of strip is marked vvith Zone A, and it passes into a highly etched band marked vvith Zone B.
Na osnovi svetlobne in elektronske mikroskopije se razkrije obstoj dveh področij ne glede na vsebnost železa v aluminiju. Na delu traku, ki je bil v kontaktu s kolutom, je ozek pas, ki se je le neznatno jedkal v Kellerjevem jedkalu in prehaja v močno jedkan pas (sliki 2, 3).
Slika 3. Mikrostruktura na vzdolžnem prerezu zlitine Al-Fe (6.3%), (REM).
F"igure 3. Microstructure on the longitudinal cross seetion of Al-Fe (6.3%) alloy (REM).
Cona A predstavlja mikrostrukturo drobnih celic z velikostjo med 20-50 nm in vsebuje majhne izločke, ki so enakomerno porazdeljeni po matrici. V prehodnem področju iz cone A v B se velikost celic veča in izločanje je
usmerjeno k tvorbi stene celic. Celice v coni B so znatno večje z velikostjo med 100 in 400 nm (slika 4). Oblika celic se spreminja od sferičnc do podolgovate glede na vzdolžni prerez. Mikrotrdota cone A je znatno večja od cone B (slika 5).
Slika 4. TEM posnetek prehodnega področja iz cone A v B za
zlitino Al-Fe 6.3 masnih %. Figure 4. TEM micrograph of the transition region from Zone A into Zone B for the Al-Fe alloy with 6.3 mass %.
Volumenski delež drobnih celic v traku se spreminja in je odvisen od sestave zlitine in debeline trakov. V diagramu (slika 6) podajamo spremembe deleža drobnih celic za vzorce preizkovanih zlitin.
				Al - Fe (4.7 %) Al - Fe (6.3 %) Al - Fe (8.2 %)
				
				
				
	\ ! H. i K			
				
	*			
80 1 00 1 20 1 40 1 60 1 80 90 110 1 30 1 50 1 70 Mikrotrdota HV (25g)
Slika 5. Sprememba mikrotrdote po debelini traku. Figure 5. Microhardness variation along the strip thickness.
Na podlagi rezultatov EDS smo za vse zlitine aluminija z železom ugotovili, da je količina železa povečana na mejah celic v primerjavi s sredino celic (slika 7). Notranjost
40
35
30
25
20
15'
T 10-
5-
47	82
6.3
Fe v zlitini (%)
Slika 6. Odvisnost deleža drobnih celic od železa v aluminiju. Figure 6. Fraction of small cells dependant on iron in aluminium.
celic predstavlja prenasičeno trdno raztopino železa v aluminiju in stene celic na železu bogato fazo.
Poleg EDS analize smo napravili tudi rentgensko analizo prahov. Uporabljen je bil praškovni difraktometer. Ukloni so bili šibki. Fazna sestava vzorca je bila določena z računalniškim programom, ki je avtomatsko primerjal difraktometer z difraktometri v bazi podatkov. Analiza je pokazala zelo verjetno prisotnost faz: Al5Fe2, Al]3Fe4 in Alg6Fei4. Faza Alg6Fei4 s koncentracijo železa 25.2% je blizu koncentracij železa v fazi AlfiFe s 25.6% železa.
Svetlobna mikroskopija je pokazala, da je strjevalna mikrostruktura celična in da se velikost celic iz cone A v cono B poveča tudi za desetkrat. Oblika celic, ki jo lahko podamo z velikostjo radija (slika 8) in hitrost strjevalne fronte sta odvisni od položaja strjevalne fronte oz. podhladitve.
Podhladitev taline je zaradi dobre toplotne prevodnosti na vrteči se kolut velika in s tem tudi hitrost strjevalne fronte. Pri strjevanju se seveda sprošča toplota, ki jo moramo odvajati in zaradi prenosa toplote na kolut preko dodatne strjene plasti jc hitrost odvajane toplote s pročelja strjevalne fronte manjša. Zmanjša se tudi hitrost strjevalne fronte, ki vpliva na obliko celične mikrostrukture. Za preiskovane zlitine se radij celic zelo poveča z manjšanjem hitrosti strjevalne fronte.
4 Zaključki
Izdelali smo napravo za izdelavo tankih trakov po postopku hitrega strjevanja na vrtečem se kolutu. Po postopku hitrega strjevanja smo izdelali skupino zlitin aluminija z veliko koncentracijo železa, ki predstavlja osnovo za nadaljni razvoj temperaturno obstojnih zlitin. Metalografske preiskave so pokazale, da je strjevanje celično in da se mikrostruktura spreminja po debelini traku. Mikrostruktura traku zlitin Al-Fe je sestavljena iz dveh plasti. Na robu traku je ozek pas, ki predstavlja mikrostrukturo drobnih celic. Ta pas preide v pas s celično mikrostrukturo. Volumenski delež drobnih celic se zmanjšuje z večanjem vsebnosti železa v aluminiju. Mikrotrdota področja z drobnimi celicami je dvakrat večja od celičnega in narašča z dodanim železom.
Fazna analiza je pokazala verjetno prisotnost več ner-avnotežnih faz. Neravnotežne faze Al^Fe nismo našli.
C	
i	
F	F F
	t ' -
Slika 8. Radij celice. Figure 8. Celi radius.
5 Literatura
' S.K. Das and L.A. Davies: Materials Science and Enginir-ing, (1988) 1-12.
" H. Jones: Treatise on Materials Science and Technology, 20 (1981) 72.
3	L.A. Bendersky, M.J. Kaufman and W.J. Boettmger and F.S. Biancaniello: Materials Science and Engininng. (1988) 213-216.
4	G. Vigier, U. Ortiz-Mendez, P. Merle, G. Tholled and F. Fouquet: Materials Science and Enginiring. 98 (1988) 191-195.
5	Laszlo Granasy: Transactions of the Japan Institute of Metals, 27 (1986) 51-60.
6	M.H. Jacobs. A.G. Poggett and M.J. Stowell: Fizika 2. Suppl. 2 (1970) 5.
O
Slika 7. TEM posnetek celične mikrostrukture Al-Fe 8.2 masnih h
(a), analiza sestave na sredini (b) in robu celice (c) (EDS). Figuro 7. TEM micrograph of cellular microstructure of Al-Fe alloy vvith 8.2 mass % Fe (a), analysis of composition in the centre (b). and on the edge of celi (c) (EDS).