2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE
2.2 Krystalizace odlitků
Krystalizace kovů, v tomto případě slitin mědi závisí na termodynamických podmínkách fázového přechodu. Tavenina slitiny mědi se mění v krystalickou fázi, pokud nastávající termodynamické podmínky, tj. Gibbsova energie klesá (viz obr. 2.15) To je za předpokladu, ţe krystalizace probíhá za konstantní teploty a tlaku. [12]
Obr. 2.15 Závislost kritické velikosti zárodku na změně Gibbsovy energie [12]
1 – Gibbsova energie potřebná k vytvoření povrchu zárodku;
2 – Gibbsova energie potřebná ke vzniku objemu zárodku
Další podmínkou vzniku krystalů je podchlazení taveniny. To se u odlitků děje vlivem tepelné akumulační schopnosti slévárenské formy. Proces krystalizace se také prakticky řídí způsobem odvodu tepla z taveniny. Hybnou silou krystalizace jsou krystalizační zárodky. U nehomogenních tavenin vznikají při krystalizace zárodky heterogenní nukleací. V praxi se objevuje tento typ vzniku zárodků.
Tavenina není nikdy ideálně čistá, jak se předpokládá u homogenní nukleace.
Vţdy tavenina obsahuje cizí částice, ať jiţ zbytky strusky, úlomky pecní vyzdívky, oxidy, křemičitany, ale téţ někdy úmyslně přidáváme očkovadla a modifikátory.
33
Tyto částice usnadňují krystalizaci, neboť při heterogenní nukleaci stačí podchlazení 0,02TKR. Na obr. 2.16 je schéma závislosti Gibbsovy energie pro tuhou (s) a kapalnou fázi (l) s vyznačením podchlazení taveniny ΔT. [12]
Obr. 2.16 závislost Gibbsovy energie tuhé a kapalné fáze na teplotě [12]
Základem pro krystalizaci slitin mědi na bázi Cu-Zn – mosazí je rovnováţný diagram, viz obr. 2.5. Pro krystalizaci cínových bronzů je důleţitý rovnováţný diagram Cu-Sn, viz obr. 2.7. Struktura bronzu CuSn12 po krystalizaci a chladnutí je podmíněna nízkou hodnotou rozdělovacího koeficientu Sn v Cu, tím dochází ke značné mikrosegregaci cínu a ve struktuře se za normální teploty objevuje δ fáze i ve slitinách s podstatně niţším obsahem cínu neţ odpovídá jeho maximální rozpustnosti (15,8% Sn), viz obr. 2.7. Podmínky krystalizace vícesloţkových slitin mědi, např. mosazi CuZn31MnAl, jsou velmi sloţité, tyto soustavy jsou charakterizovány řadou intermediálních fází a chemických sloučenin. [12]
2.2.1 Krystalizace vybraných mosazí
Mosaz s obsahem 30% zinku
Krystalizace CuZn30 – mosaz Ms 70, probíhá podle schématu:
)
34
U slitin CuZn30 je fáze α bohatá na měď, která krystalizuje s mříţkou FCC o rozměrech 3,608.10-10 [m]. Je to typický tuhý roztok substitučního typu, kde část atomů mědi jsou nahrazeny atomy zinku.
V litém stavu má mosaz typickou dendritickou strukturu. V tomto případě osy dendritů krystalizují jako první a jsou obohaceny o hůře tavitelnou mědí (na snímkách mikrostruktury bílé oblasti), mezifázové prostory se v poslední fázi krystalizace zaplňují tuhým roztokem, který je velmi bohatý na zinek (na snímkách mikrostruktury tmavé oblasti). [6,7]
Mosaz s obsahem 35% zinku
Krystalizace této slitiny mědi probíhá ve dvou etapách, podle schématu:
1. etapa (primární krystalizace) teploty zvyšuje, probíhá rozpouštění β krystalů ve fázi α:
) na pokojovou teplotu má slitina jednofázové sloţení. Za těchto podmínek bude mít slitina při pokojové teplotě stejnou strukturu jako předchozí slitina s 30% Zn.
To platí jen tehdy, kdyţ se slitina ochlazuje pomalu a kdyţ probíhají úplně všechny fázové přeměny. Praxe však ukazuje, ţe v provozních podmínkách ochlazování se vyskytují krystaly tuhého roztoku β i ve slitinách s 32% Zn;
při rychlém ochlazování se zinek nestihne rozpustit ve fázi α. Výsledek potom je, ţe slitina má nerovnováţnou strukturu, která se skládá z krystalů α + β. [6,7]
35
2.2.2 Krystalizace bronzu s obsahem 12% cínu
Bronz s obsahem 12% cínu leţí v oblasti rovnováţného diagramu, kde vznikají čtyři teplotní oblasti přeměn (1000°C, 799°C a 586°C, 520°C, 350°C) a probíhá za vzniku dvoufázové struktury. Krystalizace tohoto bronzu probíhá ve dvou stádiích:
1. stádium probíhá v teplotním intervalu 1000°C až 799°C
)
Při dalším ochlazování, při teplotě 586°C, probíhá eutektoidní rozpad fáze β:
(d)586 C Poznámka: v závorkách je složení fází, a, b, d, p, q jsou body odpovídající místům v rovnovážném diagramu.
Vysoce teplotní intermetalické fáze β je elektronová sloučenina Cu5Sn, která má prostorově centrovanou kubickou mříţku a elektronovou koncentraci 3/2.
Další vysoce teplotní intermetalická fáze γ je elektronovou sloučeninou Cu31Sn8 má kubickou prostorově centrovanou mříţku a elektronovou koncentraci 21/13.
Po skončení eutektioidního rozpadu se struktura slitiny skládá z tuhého roztoku α eutektoidu, směsí fází, (α + γ).
Při teplotě 520°C se rozpadá γ fáze podle eutektoidní reakce:
)
36
jiţ nedochází k další transformaci a za normální teploty je struktura slitiny tvořena směsí fáze α a eutektoidních fází (α + δ).
Podle rovnováţného diagramu se objevuje eutektoid v bronzech, kdyţ je koncentrace cínu ve slitinách více neţ 15%. Můţe se však vyskytnout uţ při obsahu 6 aţ 7% Sn, v důsledku posunutí hranice α oblasti.
Při ohřevu takovéhoto nerovnováţného bronzu se rozpouští eutektoid a bronz dostává typickou jednofázovou strukturu. Při obyčejných strukturních sloţkách se u podvojných bronzů často setkáváme s vměstky, které jsou v podobě oxidů a různých přimíšenin. Velmi neţádoucí je v cínových bronzech kysličník cíničitý – SnO2, jeho vměstky jsou velmi křehké a tvrdé. Vměstky SnO2 v loţiskových cínových bronzech vydírají ocelové čepy i hřídele. Vměstky SnO2 se sledují v neleptaném stavu na metalografických vzorcích, kde vytváří šedé částice vměstků.
Na dezoxidaci cínových bronzů se pouţívají malé přídavky (setiny procenta) fosforu.
[6,7] tělesa, kterým se odvádí teplo do formy. Nejdříve však pro sledování tuhnutí odlitku byl zaveden důleţitý pojem redukovaná tloušťka odlitku, aţ později se zavedl pojem modul odlitku. Tento modul zohledňuje vztah mezi objemem a povrchem tuhnoucího tělesa. Uvaţuje se zde tzv. styčný povrch, kdy se odlitek stýká s formou a přes který probíhá intenzivní odvod tepla z odlitku do formy. Modul odlitku se určí podle vztahu 2.1. Pro stanovení je třeba uvaţovat jen plochy, kterými přestupuje teplo