UDK 669.45:669.6:537.311 Izvirni znanstveni članek ISSN 1580-2949 MTAEC 9, 36(6)367(2002) SPREMLJANJE USMERJENEGA STRJEVANJA EVTEKTIČNE ZLITINE Pb-Sn MONITORING OF THE EUTECTIC Pb-Sn ALLOY DURING DIRECTIONAL SOLIDIFICATION Mihael Brunčko, Ivan Anžel, Alojz Križman Univerzav Mariboru, Fakultetazastrojništvo, Smetanova17, 2000 Maribor, Slovenija mihael.brunckoŽuni-mb.si Prejem rokopisa - received: 2002-07-05; sprejem za objavo - accepted for publication: 2002-11-21 Formiranje mikrostrukture med strjevanjem, ki je odvisno predvsem od hitrosti strjevalne fronte vSF in temperaturnega gradienta GSF v njeni bližini, močno vpliva na mehanske in druge lastnosti lite zlitine. Zato je za doseganje želenih lastnosti strjenih zlitin potrebno poznanje odvisnosti med vplivnimi parametri strjevanja ter nastajajočo mikrostrukturo. Merilne metode, ki omogočajo sprotno in neporušno spremljanje teh parametrov že v fazi formiranja mikrostrukture, so velik izziv pri razvoju modernih inženirskih materialov. V prispevku obravnavamo možnosti uporabe sprotnega merjenja spremembe električne upornosti med usmerjenim strjevanjem za določitev položaja in hitrosti strjevalne fronte vSF. Spremembo električne upornosti smo merili med usmerjenim strjevanjem vzorcaevtektične zlitine Pb-Sn pri različnih hitrostih pomikavzorcaiz grelne cone ter konstantnem temperaturnem gradientu peči. Tako dobljene vrednosti hitrosti strjevalne fronte vSF smo primerjali s tistimi, ki smo jih določili pri enakih pogojih strjevanja z meritvijo spremembe temperature s termočleni, nameščenimi v notranjosti vzorca. Ključne beseda: usmerjeno strjevanje, meritve električne upornosti, evtektična zlitina Pb-Sn Microstructure evolution during solidification primarily depends on the velocity vSF and the temperature gradient GSF of the solidification front. It has a great influence on the mechanical and other properties of the cast alloys. It is therefore important to know the relationship between the influential solidification parameters and the evolving microstructure if the desired properties of solidified alloys are to be achieved. Thus, the measurement methods that allow online and nondestructive monitoring of these parameters represent a great challenge in the evolution of modern engineering materials. In this paper we discuss the usability of in-situ measurements of electrical resistance changes during the directional solidification for tracing the position and the velocity of the solidification front vSF. The electrical resistance changes were measured during directional solidification on a sample of the Pb-Sn eutectic alloy at different pulling velocities for displacing samples from the heating zone and at a constant temperature gradient of the furnace. The obtained values of the solidification front velocities vSF were subsequently compared with the values determined during the same solidification conditions by measuring the temperature changes with thermocouples, placed inside the sample. Key words: directional solidification, electrical resistance measurements, eutectic Pb-Sn alloy 1 UVOD Razvoj sodobnih inženirskih materialov zahteva za dosego njihovih specifičnih fizikalnih in mehanskih lastnosti spremljanje odvisnosti med ključnimi parametri strjevanja ter nastalo mikrostrukturo že v zgodnji fazi njihovega razvoja. Eden od tehnoloških procesov, ki omogoča kontrolirano spremljanje vpliva ključnih parametrov strjevanja (hitrost strjevalne fronte - vSF in temperaturni gradient - GSF) na nastalo mikrostrukturo, je usmerjeno strjevanje po Bridgman-Stockbargerjevi metodi. Pri tej metodi vsilimo strjevalni fronti hitrost potovanjas pomikom vzorcaiz grelne cone, temperaturni gradient pa s spreminjanjem temperature grelne in hladilne cone \ Oblika, velikost in pojav posameznih mikro-strukturnih elementov v mikrostrukturi usmerjeno strjene zlitine je pri konstantni koncentraciji zlitinskih elementov odvisna od variacije velikosti hitrosti strjevalne fronte vSF in temperaturnega gradienta GSF v talini v bližini strjevalne fronte. Produkt GSF x vSF ali ohlajevalna hitrost T vplivanavelikost nastalih mikrostrukturnih elementov. Večja kot je ohlajevalna hitrost, bolj drobne bodo sestavine mikrostrukture. Razmerje GSF / vSF ali MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 mejakonstitucijske podhladitve pavplivanaobliko oz. vrsto nastalih mikrostrukturnih elementov (ravna fronta, celice, dendriti) 2. Določitev dejanskih kvantitativnih vrednosti obeh parametrov pa je mogoča z različnimi porušitvenimi (gašenje, dekantiranje, Peltierjevo označevanje položaja strjevalne fronte) in neporušitvenimi merilnimi metodami (merjenje temperature s termočleni, ultrazvočne preiskave, termografija, projekcijska radiografija, merjenje spremembe Seebeckove termoelektrične napetosti in spremembe električne upornosti …) 3,4. V prispevku predstavljamo možnosti uporabe sprotnih meritev spremembe električne upornosti s štiri-točkovno merilno metodo zaspremljanje usmerjenega strjevanja. Uporaba te metode je zelo razširjena za spremljanje pojavov med termično obdelavo tankih plasti, medtem ko je njenauporabanapodročju usmerjenega strjevanja masivnih vzorcev relativno redko najdena in raziskana. S sprotnimi meritvami električne upornosti (metodaEU) med usmerjenim strjevanjem smo določili položaj in hitrost strjevalne fronte med usmerjenim strjevanjem vzorcev evtektične zlitine Pb-Sn (masni delež Sn je 61,9 %) pri različnih hitrostih pomika 367 M. BRUNČKO ET AL.: SPREMLJANJE USMERJENEGA STRJEVANJA EVTEKTIČNE ZLITINE Pb-Sn vzorcev iz grelne cone in konstantnem temperaturnem gradientu peči. Tako dobljene vrednosti hitrosti strjevalne fronte smo primerjali s tistimi, ki smo jih določili v istem segmentu vzorcas sočasno meritvijo spremembe temperature z dvematermočlenoma(metoda TČ). Namen sočasne meritve električne upornosti in temperature je v zagotovitvi enakih pogojev med izvedbo obeh meritev, da bi tako lahko: • primerjali dobljene vrednosti lege xSF in hitrosti vSF strjevalne fronte z obema metodama • ugotovili prednosti in slabosti obeh metod za spremljanje usmerjenega strjevanja. 2 EKSPERIMENTALNI DEL 2.1 Usmerjeno strjevanje Zaštudij usmerjenegastrjevanjasmo v Laboratoriju za raziskavo materialov, FS, Maribor, izdelali laboratorijsko napravo za usmerjeno strjevanje LANUS, ki deluje po principu modificirane Bridgman-Stockber-gerjeve tehnike. Osrednji del naprave je vertikalna cevna peč (grelna cona), kjer material, postavljen v kremenovo ampulo najprej pretalimo (slika 2.1a). Grelnaconaje od Vodno hlajena pomiena noga Elektriena prevodnica okolice ločena z adiabatno pregrado, ki omogoča oster temperaturni prehod na meji med grelno cono in okolico ter posledično visok temperaturni gradient v tekočem v bližini strjevalne fronte. Obenem pa tudi zagotavlja čim manjša temperaturna nihanja v bližini strjevalne fronte (stacionaren potek strjevanja). S hlajenjem dna kremenove ampule in njenim pomikom iz grelne cone z vodno hlajeno nogo sprožimo zaradi usmerjenega odvoda toplote iz taline rast trdne faze in gibanje strjevalne fronte v nasprotni smeri ter nastanek usmerjene mikrostrukture (slika 2.1b). Hitrost pomika strjevalne fronte je določenas hitrostjo pomikavodno hlajene noge vP iz grelne cone, ki jo reguliramo z enosmernim elektromotorjem (vP = 10 µm/s do 200 µm/s). Temperaturni gradient spreminjamo s pretokom vode skozi vodno hlajeno nogo in s spreminjanjem temperature peči, od pribl. (2 - 10) K/mm. Treba je poudariti, da ne smemo predpostaviti, da je hitrost strjevalne fronte vSF kar direktno enaka hitrosti vlečenja vzorca iz peči. Največji odmiki se pojavijo na začetku strjevanja, medtem ko pa lahko za vmesno stacionarno področje predpostavimo, da je hitrost strjevalne fronte vSF skoraj enaka hitrosti pomika vzorca vp iz peči 5,6,7. Usmerjeno smo strdili pet vzorcev evtektične zlitine Pb-Sn pri petih različnih hitrostih vlečenja vzorcev iz grelne cone in konstantni temperaturi peči TP = 400 °C (tabela 2.1). Temperatura peči Tp = 400 °C zadostuje za vzpostavitev temperaturnega gradienta GP = 3,55 K/mm v območju adiabatne pregrade, ki ga vsilimo strjevalni fronti. Tabela 2.1: Operativni pogoji eksperimentov usmerjenega strjevanja Table 2.1: Operating conditions of directional solidification experiments Vzorec A B C D E Hitrost vlečenja vzorcavP/(µm/s) 14,17 37,50 84,66 133,33 179,17 Vsiljen temp. gradient GP/(K/mm) 3,55 Termoelen Ni-CrNi Tokovna elektroda (Ni) Zašeitna kapilara Al2O3 Slika 2.1: Laboratorijska naprava za usmerjeno strjevanje LANUS (a, b) ter prikaz njenih funkcionalnih delov (b) Figure 2.1: The laboratory device for directional solidification LANUS (a, b) and review of its functional parts (b) Kremenova ampula Slika 2.2: Shema kremenove ampule in postavitev električnih kontaktov ter termočlenov Figure 2.2: Schematic of quartz ampoule and placement of the electrical contacts and thermocouples Nosilca termoelenov in elektrod 368 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 M. BRUNČKO ET AL.: SPREMLJANJE USMERJENEGA STRJEVANJA EVTEKTIČNE ZLITINE Pb-Sn Vzorci evtektične zlitine Pb-Sn so v kremenovi ampuli dolžine 225 mm z notranjim premerom 6 mm in zunanjim 8 mm. Zlitino Pb-Sn (masni delež Sn je 61,9 %) smo predhodno pripravili v elektro uporovni peči EUP - K 20/1200 proizvajalca BOSIO iz čistih kovin Pb (99,99 %) in Sn (99,99 %). Sestavo tako pripravljene zlitine smo potrdili s kemijsko analizo. 2.2 Meritev spremembe električne upornosti in temperature Sočasno meritev električne upornosti in temperature smo med usmerjenim strjevanjem izvedli s postavitvijo termočlenov in elektrod v kremenovo ampulo. Na sliki 2.2 je prikazana konstrukcija kremenove ampule, v kateri stav njenem osrednjem delu namestih A in B postavljenadvatermočlenaNi-NiCr, ki nam rabitaza spremljanje temperature, in štiri nikljeve elektrode za meritev spremembe električne upornosti. Meritev električne upornosti smo izvedli s štiri-točkovno merilno metodo z merilnim inštrumentom AOIP OM 21 (slika 2.3). Pri tej metodi med seboj ločimo tokovne in napetostne vodnike, da se izognemo vplivu električne upornosti merilnih vodnikov na izmerjeno električno upornost zlitine. Zaradi spremembe temperature med merilnimamestomaA in B in s tem pojava termoelektrične napetosti med elektrodama, moramo, da bi se izognili njenemu vplivu, uporabiti izmenični vzbujevalni tok. Pri poskusih, opisanih v tem prispevku, smo uporabljali vzbujevalni tok amplitude 1 A žagaste oblike s frekvenco 1 Hz. V tem merilnem območju je razširjenamerilnanegotovost inštrumenta OM 21 enaka ± 3 µ?. Namestih A in B, kjer so nameščene elektrode, merimo tudi spremembo temperature z dvema termo-členomatipaK (Ni-CrNi) Ř 0,2 mm, zaščitenima s keramičnima (Al2O3) kapilarama Ř 2 mm in direktno Tokovna vodnika (Ni) Napetostna vodnika (Ni) potopljenima v talino. Meritev temperature je bila izvedena z akvizicijskimi karticami proizvajalca National Instruments in s programskim paketom Labview. Kot hladno mesto termočlenov smo uporabili ledeno kopel (Dewarjeva posoda) (slika 2.3). Celotno merilno progo za meritev temperature smo predhodno umerili s kalibra-cijskim termometrom v oljni kopeli (Hard Scientific), tako daje razširjenamerilnanegotovost meritev temperature s termočleni enaka ± 0,15 K. 3REZULTATI Rezultati sočasnih meritev spremembe električne upornosti in temperature pri različnih hitrostih vlečenja vzorca iz grelne cone ter konstantnem temperaturnem gradientu so podani na diagramih na slikah 3.1 do 3.5. Nadiagramih naslikah 3.1a do 3.5a so prikazane krivulje spremembe električne upornosti R(t), s katerimi smo določili povprečno hitrost strjevalne fronte vSF med mestomaA in B. Nadiagramih naslikah 3.1b do 3.5b pa so prikazane ohlajevalne krivulje T(t), izmerjene s termočlenomanamestih A in B v vzorcu, s katerimi smo določili povprečne hitrosti strjevalne fronte vSF in temperaturni gradient GSF. Pred začetkom usmerjenega strjevanja smo zlitino v kremenovi ampuli pretalili. Talina je v zgornjem delu Elektriena upornost ¦ Č-__ , • Č \ j\. čL \ JUh 200 C \ .---* \ Č ¦ \- 3 \ ¦ KČč j | / / I 50 / / ČČČ CU *=\čH b| 20 00 4000 6 t 000 • 8000 10000 12 tis 000 4000 16000 18000 2 00 Termoelen A Termoelen B Slika 2.3: Shemameritve temperature in električne upornosti Figure 2.3: Schematic of temperature and electrical resistance measurements Slika 3.1: Sočasna meritev spremembe električne upornosti (a) in temperature (b) med usmerjenim strjevanjem evtektične zlitine Pb-Sn (masni delež Sn je 61,9 %) pri pomiku vzorca iz peči s hitrostjo vP = 14,17 µm/s in temperaturnem gradientu GP = 3,55 K/mm Figure 3.1: Combined measurements of the electrical resistance (a) and temperature (b) during directional solidification of the eutectic Pb-Sn (Sn mass fraction of 61.9 %) alloy at pulling velocity vP = 14.17 µm/s and temperature gradient GP = 3.55 K/mm A MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 369 M. BRUNČKO ET AL.: SPREMLJANJE USMERJENEGA STRJEVANJA EVTEKTIČNE ZLITINE Pb-Sn /J \ \ ----- -------li--------------Č\----------Č\------------------- -----/--/----------------- \Č------- \------------ fč Č\ i / \ \ / / \ \ j j \ \ / / \ \ / / s\ \ -------Č--Č ČČČ=Č b) TermoBtanATemmfflenB — TarmoaanA—TarmoClanB Slika 3.2: Sočasna meritev spremembe električne upornosti (a) in temperature (b) med usmerjenim strjevanjem evtektične zlitine Pb-Sn pri pomiku vzorcaiz peči s hitrostjo vP = 37,50 µm/s in temperaturnem gradientu GP = 3,55 K/mm Figure 3.2: Combined measurements of the electrical resistance (a) and temperature (b) during directional solidification of the eutectic Pb-Sn alloy at pulling velocity vP = 37.50 µm/s and temperature gradient GP = 3.55 K/mm Slika 3.4: Sočasna meritev spremembe električne upornosti (a) in temperature (b) med usmerjenim strjevanjem eutektične zlitine Pb-Sn pri pomiku vzorcaiz peči s hitrostjo vP = 133,33 µm/s in temperaturnem gradientu GP = 3,55 K/mm Figure 3.4: Combined measurements of the electrical resistance (a) and temperature (b) during directional solidification of the eutectic Pb-Sn alloy at pulling velocity vP = 133.33 µm/s and temperature gradient GP = 3.55 K/mm rč------------"a / \ __J vČČ — ElekMCna upornost \ / f 1 1 \ \ y / Č-Č=č Terrrctlan A Tatmočlen B b) Slika 3.3: Sočasna meritev spremembe električne upornosti (a) in temperature (b) med usmerjenim strjevanjem evtektične zlitine Pb-Sn pri pomiku vzorcaiz peči s hitrostjo vP = 84,66 µm/s in temperaturnem gradientu GP = 3,55 K/mm Figure 3.3: Combined measurements of the electrical resistance (a) and temperature (b) during directional solidification of the eutectic Pb-Sn alloy at pulling velocity vP = 84.66 µm/s and temperature gradient GP = 3.55 K/mm TgmoSIgn A Termoeien B Slika 3.5: Sočasna meritev spremembe električne upornosti (a) in temperature (b) med usmerjenim strjevanjem eutektične zlitine Pb-Sn pri pomiku vzorcaiz peči s hitrostjo vP = 179,17 µm/s in temperaturnem gradientu GP = 3,55 K/mm Figure 3.5: Combined measurements of the electrical resistance (a) and temperature (b) during directional solidification of the eutectic Pb-Sn alloy at pulling velocity vP = 179.17 µm/s and temperature gradient GP = 3.55 K/mm 370 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 M. BRUNČKO ET AL.: SPREMLJANJE USMERJENEGA STRJEVANJA EVTEKTIČNE ZLITINE Pb-Sn ampule dosegla temperaturo T = 395 °C (točka A na sliki 3.1a ter slike 3.2 do 3.5) Iz krivulj upornosti je razvidno, da se električna upornost zlitine v fazi taljenja močno povečaod začetne upornosti 0,51 m? pado 2,33 m?. Z vlečenjem vzorcaiz grelne cone in vodnim hlajenjem njegovegadnasmo sprožili usmerjeno strjevanje, kar je povzročilo zmanjševanje temperature in padec električne upornosti v merilnem delu vzorca do vrednosti 2,27 m? (od točke A do B na sliki 3.1a). Spremembaelektrične upornosti je bilav tej fazi samo posledica padca temperature, saj se je še celotni merilni volumen vzorca nahajal v tekočem agregatnem stanju. Ko doseže strjevalnafrontapoložaj spodnje merilne elektrode in termočlenaA, se krivuljaupornosti (točka B na sliki 3.1a) zaradi velike spremembe med električno upornostjo trdne in tekoče faze lomi. Prisotnost strjevalne fronte zazna tudi ohlajevalna krivulja termočlenaA, nakateri je vidnatočkastrjevanjazlitine (točka B’ na sliki 3.1b). V nadaljevanju se strjevalna frontapomikaproti položaju termočlenaB in zgornjima merilnimaelektrodamaelektrične upornosti. Električna upornost se v tej fazi zmanjšuje linearno do vrednosti 0,66 m? (od točke B do C). V točki C na sliki 3.1a doseže strjevalnafrontapoložaj zgornjih elektrod in termočlena B, v tem trenutku se strdi še zadnji del taline v merilnem delu vzorca. Krivulja upornosti se ponovno lomi, položaj strjevalne fronte pa zazna tudi termočlen B na ohlajevalni krivulji (točka C’ na sliki 3.1b). Usmerjeno strjevanje v merilnem delu vzorca je tako končano, nadaljnje znižanje temperature in električne upornosti pa je posledica samo ohlajanja že strjene zlitine. 3.1 Določitev hitrosti strjevalne fronte po metodi EU Povprečnahitrost potovanjastrjevalne fronte od mestaA do B (razdaljamed merilnimi elektrodami) v kremenovi ampuli je enaka razdalji med elektrodami, deljeni s časom, ki gapotrebuje frontazapotovanje od mesta A do B. Razdalja med elektrodami je med strjevanjem konstantna (L = 100 mm), čas ki ga potrebuje fronta, da prepotuje to razdaljo, pa je enak časovni razliki med točkama B in C na krivulji izmerjene električne upornosti R(t) (slika 3.1 a). Ar / vR= — = (3.1) At tc -tB vr povprečnahitrost strjevalne fronte, določenaz metodo EU (um/s) L razdalja med merilnimi elektrodami oz. razdalja med mestomaA in B (mm) tB čas, v katerem strjevalna fronta doseže položaj spodnje elektrode (točkaB nakrivulji upornosti) (s) tc čas, v katerem strjevalna fronta doseže položaj zgornje elektrode (točkaC nakrivulji upornosti) (s) MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 Rezultati izračuna povprečnih hitrosti strjevalne fronte z metodo EU so podani v tabeli 3.1. 3.2 Določitev hitrosti strjevalne fronte in temperaturnega gradienta po metodi TČ Izmerjeni ohlajevalni krivulji T(t) podajata časovno spremembo temperature v vzorcu na mestih A in B, kjer sta postavljena termočlena. Na ohlajevalnih krivuljah T(t) so zaradi sproščanja toplote pri strjevanju ter različne toplotne prevodnosti trdne in tekoče faze vidne točke strjevanja(točke, ko strjevalnafrontaprečka konico termočlena). Iz znane razdalje med termočle-nomain izmerjenim časom, ki gapotrebuje strjevalna fronta, da prepotuje razdaljo med njima, smo ponovno izračunali povprečno hitrost strjevalne fronte vSF med termočlenom A in B (enačba 3.2 in slika 3.1b). Podobno kot hitrost strjevalne fronte vSF smo z uporabo ohlajevalnih krivulj T(t) določili tudi povprečen temperaturni gradient GSF v tekočem, ki je enak temperaturni razliki med izmerjenima temperaturama ohlajevalnih krivulj, deljeni z razdaljo med termočlenoma (enačba 3.3 in slika 3.1b). vTC = — = —-— (3.2) At tc -tw vtč povprečnahitrost strjevalne fronte, določenaz metodo TČ (um/s) L razdalja med termočlenoma A in B (mm) tB> čas, pri katerem je strjevalna fronta dosegla termočlen A (s) tc čas, pri katerem je strjevalna fronta dosegla termočlen B (s) GSF temperaturni gradient v tekočem v bližini strjevalne fronte (K/mm) TA(tB’) temperatura strjevalne fronte v času tB’, ko le-ta prečkatermočlen A (K) TB(tB’) temperaturatermočlenaB v času tB’, ko strjevalna frontaprečkatermočlen A (K) Rezultati izračunanih povprečnih hitrosti strjevalne fronte in temperaturnih gradientov z metodo TČ so podani v tabelah 3.1 in 3.2. 4 DISKUSIJA S primerjavo rezultatov izračunanih povprečnih hitrosti strjevalne fronte z obemamerilnimametodama ugotovimo, daso hitrosti strjevalne fronte, določene z metodo TČ, vedno večje od tistih, ki smo jih izračunali po metodi EU (Tabela 3.1). Vzrok zaodmike med dobljenimi hitrostmi po obeh metodah izhaja iz natančnosti posamezne merilne metode. Ta je ob ločljivosti in točnosti merilnih inštrumentov odvisna predvsem od natančnosti določitve razdalje med elektro-371 M. BRUNČKO ET AL.: SPREMLJANJE USMERJENEGA STRJEVANJA EVTEKTIČNE ZLITINE Pb-Sn dama(metodaEU) oz. termočlenoma(metodaTČ) ter od oblike izmerjenih krivulj upornosti oz. ohlajevalnih krivulj. Potrebno paje tudi poudariti, dase merilni metodi med seboj razlikujeta po načinu zajema merjene fizikalne veličine. MetodaEU je merilnametoda, ki zajame spremembo električne upornosti v celotnem volumnu vzorca, ki je med merilnima elektrodama, medtem ko pri metodi TČ potekameritev temperature s termočlenoma samo v točkah, v katerih sta ta postavljena. Ker je konicatermočlenatudi motnjanamestu, kjer merimo temperaturno spremembo, medtem ko pri metodi EU v merilnem volumnu te motnje ni, lahko sklepamo, da je metoda EU natančnejša od metode TČ. Tabela 3.1: Izračun povprečnih hitrosti strjevalne fronte z metodama EU in TČ Table 3.1: Calculation of the average solidification front velocities with methods EU and TČ Hitrost pomikanja vzorcaiz grelne cone vp/(|im/s) Povprečnahitrost strjevalne fronte, določenaz metodo EU vR/(|im/s) Povprečnahitrost strjevalne fronte, določenaz metodo TČ vTč/(|im/s) 14,17 13,67 16,00 37,50 38,17 43,17 84,66 81,33 91,17 133,33 124,50 138,16 179,17 151,50 157,84 c) TE a) TE Slika 4.1: Oblika ohlajevalne krivulje evtektične zlitine med usmerjenim strjevanjem: a) Idealiziran primer - ravna strjevalna fronta, AT = 0; b) Realen primer - ravna strjevalna fronta, Ar > 0; c) Povečano področje strjevalnega intervala Figure 4.1: The shape of the cooling curve of the eutectic alloy during directional solidification: a) Idealized example - plain solidification front, AT = 0; b) Real example - plain solidification front, AT > 0; c) Magnified region of the solidification interval Iz oblike izmerjenih krivulj upornosti R(t) je razvidno, daostanetatočki začetkain koncastrjevanja (točki nezveznosti) nakrivulji upornosti R(t) enolično določljivi tako pri majhnih kot tudi pri večjih hitrostih potovanja strjevalne fronte. Točki začetka in konca strjevanja se na krivulji upornosti pojavita zaradi velike spremembe med specifično električno upornostjo tekoče in trdne faze zlitine, ki je za zlitino Pb-Sn (masni delež Sn je 61,9 %) pri fazni transformaciji L -> S enako pi/ps = 2,14 8. Pojav točk nezveznosti je tako na krivulji upornosti neodvisen od velikosti hitrosti strjevalne fronte. Hitrost strjevalne fronte vplivale nanaklonski kot a krivulje upornosti R(t) med točkama začetka in koncastrjevanja(slika 3.1a). Pri večjih hitrostih strjevalne fronte bo naklonski kot a krivulje upornosti R(t) večji, saj bo v danem časovnem intervalu potekla večjatransformacijadeležatekoče v trdno fazo. Nekoliko drugačen pa je vpliv hitrosti strjevalne fronte na obliko ohlajevalnih krivulj T(t). V primeru ravne strjevalne fronte ter pri termodinamično ravnotežnih razmerah strjevanja (T « 0) imapri usmerjenem strjevanju ohlajevalna krivulja T(t) evtektične zlitine obliko, prikazano na sliki 4.1a. Strjevanje se začne in konča pri enaki temperaturi TE, časovnadolžinastrjevalnegaintervala AtST, prikazanega na ohlajevalni krivulji, paje enaka času, ki je potreben, daprečkacelotna debelina S strjevalne fronte konico termočlena (debelina S strjevalne fronte je tisto območje, v katerem je zlitina v dvofaznem agregatnem stanju S + L). Pri večji ločljivosti časovne skale dobi krivulja T(t) v območju strjevanja obliko, prikazano na sliki 4.1c. Na izmerjenem diagramu ohlajevalnih krivulj T(t) pa se zaradi časovno zelo kratkega strjevalnega intervala in omejene ločljivosti merilnih inštrumentov točki začetkain koncastrjevanja praktično združita v isto točko (točka A na sliki 4.1a). Če v nadaljevanju upoštevamo, da poteka usmerjeno strjevanje evtektične zlitine praktično zmeraj pri termo- Slika 4.2: Celičnaoblikastrjevalne fronte evtektične zlitine Pb-Sn pri vSF = 43,17 mm/min in GSF = 3,81 K/mm Figure 4.2: Cellular morphology of the solidification front of the eutectic Pb-Sn alloy at vSF = 43.17 mm/min and GSF = 3.81 K/mm TI" T7° 372 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 M. BRUNČKO ET AL.: SPREMLJANJE USMERJENEGA STRJEVANJA EVTEKTIČNE ZLITINE Pb-Sn dinamsko neravnotežnih razmerah strjevanja (T > 0), se točka strjevanja pomakne k nižjim temperaturam (točka A’ na sliki 4.1b) - strjevanje se odvija pri določeni podhladitvi Ar. Če je podhladitev Ar zelo majhna, je morfologija strjevalne fronte ravna, z naraščanjem pa prehaja v celično in naprej v dendritno. Čas, ki je potreben, dastrjevalnafrontapri celični in dendritni morfologiji prepotuje termočlen, je ponovno odvisen od debeline strjevalne fronte S in hitrosti vSF. Debelina strjevalne fronte S je v primeru celične morfologije enakarazdalji od vrhacelice pado njenegakorena. Pri naših eksperimentih smo na gašenem vzorcu usmerjeno strjene evtektične zlitine Pb-Sn (masni delež Sn je 61,9 %) pri hitrosti pomikastrjevalne fronte vSF = 43,17 |om/s in temperturnem gradientu GSF = 3,81 K/mm izmerili debelino strjevalne fronte od 375 do 625 pni (slika 4.2), kar ustreza časovni dolžini strjevalnega intervala od 8,7 s do 14,5 s (slika 4.3). Tako majhen časovni interval pa je prikazan na diagramu ohlajevalne krivulje T(t) ponovno kot samo ena točka, ki ustreza na osi x diagrama na sliki 3.2 delitvi velikosti od 0,15 mm do 0,26 mm. Na ohlajevalni krivulji sta tako točki začetka in konca strjevalnega intervala ponovno združeni v eni sami točki - na ohlajevalni krivulji več ne najdemo postojišča oz. izoterme (slika 4.3a). Iz ohlajevalnih krivulj T(t) je razvidno, daje mogoče točke strjevanja jasno določiti v primeru majhnih hitrosti pomikavzorca(14,17 in 37,50 mm/min) iz grelne cone in s tem posledično pri majhnih hitrostih strjevalne fronte vSF (slika 3.1b in 3.2b). Z naraščanjem hitrosti Slika 4.3: Oblika ohlajevalne krivulje, usmerjeno strjene evtektične zlitine pri celični morfologiji rasti: a) Realna oblika ohlajevalne krivulje; b) Povečano področje strjevalnega intervala Figure 4.3: The shape of the cooling curve of directionally solidified eutectic alloy by cellular morphology: a) Real shape of the cooling curve; b) Magnified region of the solidification interval MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 pomikavzorcaiz grelne cone (84,66 do 179,17 mm/min) postanejo točke strjevanja vse bolj zabrisane in s tem težje določljive (slika 3.3b, 3.4b in 3.5b). Z nezanesljivostjo določitve točk strjevanja iz ohlajevalnih krivulj T(t) pa se poveča tudi nenatančnost izračuna obeh ključnih parametrov strjevanja (vSF, GSF). Tabela 3.2: Izračun povprečnega temperaturnega gradienta z metodo TČ Table 3.2: Calculation of the average temperature gradient with method TČ Hitrost pomikanjavzorcaiz grelne cone vp/(um/s) Povprečen temperaturni gradient, izmerjen med termočlenomaA in B GAB/(K/mm) 14,17 3,77 37,50 3,81 84,66 3,44 133,33 3,33 179,17 3,28 Pojav strjevalne točke (točke nezveznosti) na ohlajevalni krivulji T(t) paje odvisen od spremembe ohlajevalne hitrosti t (oz. od spremembe hitrosti odvajanja toplote s strjevalne fronte). Med strjevanjem se zaradi sproščanja latentne toplote AH (slika 4.4) manjša ohlajevalna hitrost T, kar imazaposledico nezveznost ohlajevalne krivulje T(t) v strjevalni točki. Z naraščanjem vSF postaja talina vse bolj podhlajena (Ar narašča, AT=Tm- T’) in energijskavrednost podhlajene taline H(T)L se približuje energijski vrednosti trdnine H(T)S. Posledično se pri transformaciji L -> S sprosti manj latentne toplote AH in nezveznost ohlajevalne krivulje T(t) v strjevalni točki ni več tako izrazita. Pri zelo velikih hitrostih vSF se ohlajevalna krivulja T(t) v strjevalni točki več ne lomi in tako postane spremljanje strjevanja z metodo TČ vse bolj nezanesljivo. 5 SKLEPI Uporaba štiritočkovne merilne metode zasprotno merjenje spremembe električne upornosti je ob pravilni » H(T) • • V AH J AH’< H(T)S T/K T’ Tm Slika 4.4: Vpliv stopnje podhladitve na spremembo sproščene latentne toplote pri strjevanju Figure 4.4: The influence of the degree of undercooling on the latent-heat relaxation changes during solidification 373 M. BRUNČKO ET AL.: SPREMLJANJE USMERJENEGA STRJEVANJA EVTEKTIČNE ZLITINE Pb-Sn izbiri merilnegainštrumenta, njegove ločljivosti, merilne točnosti, velikosti in oblike vzbujevalnegatokater merilnih elektrod zelo primernain uspešnametodaza sprotno spremljanje in karakterizacijo usmerjenega strjevanja. MetodaEU omogoča- zaradi velike spremembe med specifično električno upornostjo trdne in tekoče faze -jasno identifikacijo začetnega in končnega položaja strjevalne fronte xSF iz izmerjenih krivulj upornosti R(t) in posledično izračun povprečne hitrosti strjevalne fronte vSF. Točki začetkain koncastrjevanjaostanetanakrivulji upornosti R(t) dobro določljivi tudi pri večjih hitrostih strjevalne fronte vSF, zato je metoda EU uporabna za določitev povprečne hitrosti strjevalne fronte tako pri majhnih kot tudi velikih hitrostih strjevanja. Izračun povprečne hitrosti strjevalne fronte z metodo TČ je močno odvisen od natančnosti določitve strjevalnih točk na ohlajevalnih krivuljah T(t), ki pa postanejo pri večjih hitrostih strjevalne fronte vse težje določljive. Pri majhni hitrostih potovanja strjevalne fronte lahko z metodo TČ dokaj natančno določimo njene povprečne vrednosti. Pri večjih hitrostih strjevalne fronte pa postane metoda TČ neuporabna. Natančnost metode TČ je slabša v primerjavi z metodo EU, saj pri metodi TČ merimo spremembo temperature s konico termočlena, ki je obenem tudi motnjazapotovanje strjevalne fronte, medtem ko pri metodi EU spremljamo spremembo električne upornosti v volumnu vzorca, ki je med merilnima elektrodama, kjer ni motnje zastrjevalno fronto. 6 LITERATURA 1 M. McLean, Directionally Solidified Materials for high Temperature Service, The Metals Society, London, 1983, 11 2 W. Kurtz, D. J. Fisher, Fundamentals of Solidification, Trans Tech Publications, Brookfield, 1989, 87 3 G. Salvi, J. P. Garandet, Review of Scientific Instruments, 72 (2001) 255 4 M. Brunčko, I. Anžel, Materials and Technology, 35, (2001) 1-2, 73 5 J. J. Favier, P. Lehmann, B. Drevet, J. P. Garandet, D. Camel, Lecture notes in physics, 464 (1996) 77 6 C. A. Wang, A. F. Witt, J. R. Carruthers, Journal of Crystal Growth, 66 (1984) 299 7 T. W. Fu, W. R. Wilcox, Journal of Crystal Growth 51 (1981) 557 8 M. Brunčko, Applicability of Ohmic Resistance Measurement Method for Directional Solidification Monitoring, Master Thesis, University of Maribor, Faculty of Mechanical Engineering, 2002, 102 374 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6