Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki
Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie
Laboratorium z Podstaw Inżynierii Materiałów
Ćwiczenie nr 2:
ZASTOSOWANIE DIAGRAMÓW TRÓJSKŁADNIKOWYCH W ANALIZIE
PRZEMIAN FAZOWYCH W SPIEKANYCH PROSZKACH
III rok, studia niestacjonarne, technologia chemiczna
Nr ćwiczenia
4
Temat ćwiczenia:
Zastosowanie diagramów trójskładnikowych w
analizie przemian fazowych w spiekanych
proszkach
Data wykonania:
5.11.2011
Grupa:
2
Wykonali:
mgr Józef Nawracaj
Michał Baster
Prowadzący:
dr inż.
Karol Kyzioł
Ocena:
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami diagramów dwu i
trójskładnikowych oraz poznanie znaczenia diagramów fazowych w opisie procesu spiekania
tworzyw ceramicznych. W ćwiczeniu poddany zostanie analizie układ potrójny MgO – Al
2
O
3
– SiO
2
przy wykorzystaniu programu Keramos.
Wstęp teoretyczny:
Analizowany układ trójskładnikowy ma duże znaczenie w technologii ceramicznej,
przede wszystkim w przypadku materiałów ogniotrwałych oraz ceramiki specjalnej. W
układzie występują połączenia podwójne, które znajdują się na bokach diagramu fazowego
oraz połączenia potrójne pomiędzy czystymi składnikami reprezentowanymi przez
wierzchołki trójkąta
W analizowanym układzie mogą występować następujące fazy
Nazwa fazy
(termin angielski)
Nazwa fazy
(termin polski)
Skrót
Wzór stechimometryczny
Silica
Kwarc
Kw
SiO2
Cristobalite
Krystobalit
K
SiO2
Tridymite
Trydymit
T
SiO2
Protoenstatite
Protoenstatyt
Pr
MgO·SiO
2
lub Mg SiO
3
Forsterite
Forsteryt
F
2MgO·SiO
2
lub
Mg
2
SiO
4
Periclase
Peryklaz
P
MgO
Spinel
Spinel
Sp
MgO·Al
2
O
3
lub
MgAl
2
O
4
Corundum
Korund
Ko
Al2O3
Mullite
Mulit
M
3 Al
2
O
3
·2 SiO
2
lub
Al
6
Si
2
O
10
Cordierite
Kordieryt
C
MgO·2Al
2
O
3
·5 SiO
2
lub
Mg
2
Al
4
Si
5
O
18
Sapphirine
Safiryn
S
4MgO·5Al
2
O
3
·2 SiO
2
lub
Mg
4
Al
10
Si
2
O
23
A. Zastosowanie reguły dźwigni i nanoszenie punktów składu
Tabela 1. Identyfikacja związków występujących w badanym układzie
L.p
Związek
Skład
Związki podwójne
MgO
Al
2
O
3
SiO
2
1
Forsteryt Mg
2
SiO
4
57
0
43
2.
Protoenstatyt MgSiO
3
40
0
60
3.
Spinel MgAl
2
O
4
29
71
4.
Mulit Al
6
Si
2
O
10
0
71
29
Związki potrójne
1
Kordieryt Mg
2
Al
4
Si
5
O
18
14
35
51
2
Safiryn Mg
3
Al
10
Si
2
O
23
21
64
15
Tabela 2. Punkty krytyczne układu trójskładnikowego MgO- Al
2
O
3
- SiO
2
L.p
Fazy
pozostające w
równowadze
Temperatur
a krytyczna
[
0
C]
Skład cieczy w punkcie
krytycznym [%]
MgO
Al
2
O
3
SiO
2
Rodzaj punktu
krytycznego
(P/E)
1
Kw,Pr,L
1543
35
0
65
E
2
F,Pr,L
1557
39
0
61
P
3
F,P,L
1860
63
0
37
E
4
P, Sp,L
2050
45
55
0
E
5
Sp,Ko,L
1925
2
98
0
E
6
M,Ko,L
1840
0
78
22
E
7
Kw,M,L
1590
0
5
95
E
8
F,Sp,P,L
1710
51
20
29
E
9
F,C,Sp,L
1370
26
23
51
P
10
C,Pr,F,L
1367
25
21
54
E
11
Kw,Pr,C,L
1355
21
17
62
E
12
Kw,M,C,L
1440
10
22
68
P
13
S,M,C,L
1460
16
34
49
P
14
C,Sp,S,L
1453
17
33
49
P
15
S,M,Sp,L
1482
17
37
46
P
16
M,Sp,Ko,L
1578
15
42
43
P
17.
Sp,F
1720
49
21
30
E
18.
C,M
1440
15
32
53
P
Diagram trójskładnikowy MgO- Al
2
O
3
- SiO
2
B. Konstrukcja diagramu dwuskładnikowego MgO- Al
2
O
3
Tabela 3. Punkty wyznaczające krzywą likwidusu w układzie
dwuskładnikowym MgO- Al
2
O
3
L.p
Rodzaj punktu
Temperatura
[
0
C]
Skład [%]
MgO
Al
2
O
3
1.
Punkt topnienia MgO
2800
100
----
2.
Punkt topnienia Al
2
O
3
2020
-----
100
3.
Punkt topnienia spinelu
2135
29
71
4.
Punkty zerozmienne i
izotermy
1850
45
55
1925
2
98
2000
7
93
2100
20
80
2200
52
48
2300
56
44
2400
62
38
2500
69
31
2600
77
23
2700
87
13
2000
1
99
Kolorem czerwonym oznaczono punkty krytyczne podwójne
Diagram dwuskładnikowy MgO- Al
2
O
3
C. Badanie topnienia w układzie MgO- Al
2
O
3
- SiO
2
Tabela 4. Charakterystyka procesu topnienia - krystalizacji w układzie MgO- Al
2
O
3
-
SiO
2
Temp
(zakres)
[
0
C]
Występujące
fazy
Przemiana fazowa
Przykładowe
temperatury
Skład fazowy [%]
L
Sp
F
C
1971-175
5
L
L,Sp
L,Sp
L,Sp
L,Sp
LSp
LSp
LSp
LSp
LSp
1971
1917
1863
1809
1755
100
83
72
65
60
0
17
28
35
40
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1701-137
1
L,Sp,F
L,SP.F
L,SP,F
L,Sp,F
L,Sp,F
L,Sp,F
LSp+F
LSp+F
LSp+F
LSp+F
LSp+F
LSp+F
1701
1635
1569
1503
1437
1371
55
19
12
10
8
7
45
55
57
58
59
59
0
26
31
32
33
34
0
0
0
0
0
0
1370
L,Sp,F, C
L+SpF+C
1370
0
58
36
6
0% Liquid oznacza że nastąpił koniec procesu krystalizacji.
Tlenkowy skład wyjściowy:
•
MgO – 38 %
•
Al
2
O
3
- 44 %
•
SiO
2
– 18 %
Charakterystyka procesu odwrotnego tj. topnienia.
Dana jest mieszanina tlenkowa w proporcjach podanych powyżej, która znajduje się w
temperaturze pokojowej. Temperaturę zwiększamy. Poniżej punktu zerozmiennego o
charakterze perytektycznym istnieją trzy fazy stałe tj. spinel, forsteryt i kordieryt.
Temperatura osiąga wartość 1370 stopni C, układ znajduje się w poczwórnym punkcie
zerozmiennym, pojawiają się pierwsze porcje cieczy, która znajduje się w stanie równowagi z
istniejącymi do tej pory fazami stałymi. Temperatura wzrasta, zanika jedna faza czyli
kordieryt, tor topnienia znajduje się na lini granicznej, w równowadze znajdują się trzy fazy:
ciecz, spinel i forsteryt. Udział cieczy stopniowo rośnie, przede wszystkim kosztem
forsterytu, którego ubywa z układu zdecydowanie więcej niż spinelu. Po przekroczeniu 1600
stopni proces ten intensyfikuje się. W temperaturze 1701 stopni zmienia się liczba faz
pozostających ze sobą w stanie równowagi, zanika bowiem forsteryt. Współistnieją ze sobą
jedynie ciecz oraz spinel. Udział procentowy cieczy rośnie wraz ze wzrostem temperatury.
Punktem granicznym jest temperatura 1971 stopni, w której zanika ostatnia faza stała.
Powyżej tej temperatury istnieje jedynie faza ciekła. Proces topnienia został zakończony.
D. Spiekanie z fazą ciekłą: zastosowanie diagramów trójskładnikowych w
określaniu składu spiekanych proszków.
Przyjmujemy, że zmieszano 30 kg forsterytu, 35 kg kordierytu i 35 kg spinelu.
1.
Posługując się wykonanym przez siebie diagramem układu MgO- Al
2
O
3
- SiO
2
określić
skład tlenkowy mieszaniny.
2.
Określić jaka ilość fazy ciekłej (%L) pojawi się w tym układzie w miarę jak jego
temperatura (T) będzie się zmieniać od temperatury pokojowej do temperatury
powyżej temperatury likwidusu. Zrobić wykres zależności %L = f(T).
3.
Obliczyć, jakie należy wziąć ilości poszczególnych składników (podać skład tlenkowy
w %), aby udział procentowy fazy ciekłej pojawiającej się w czasie spiekania w
temperaturze Tx = 1700 st C wynosi ok. 10%.
•
Skład tlenkowy mieszaniny określony z układu MgO- Al
2
O
3
- SiO
2
32 % SiO
2
35,5 % Al
2
O
3
32,5 % MgO
•
Ilość fazy ciekłej
L[%]
Temp.[
0
C]
100
2000
65,7
1950
53,5
1900
46
1800
38,3
1700
34,8
1600
0
1370
W temperaturze 2000
0
C (punkt A)
23/23 * 100%=100%
W temperaturze 1950
0
C (punkt B)
23/35 *100%=67,5 %
W temperaturze 1900
0
C (punkt C)
23/43 *100%=53,5 %
W temperaturze 1800
0
C (punkt D)
23/50 *100%=46 %
W temperaturze 1700
0
C (punkt E)
23/60 *100%=38,3 %
W temperaturze 1600
0
C (punkt F)
23/66 *100%=34.8 %
Wykres zależności ilości cieczy od temperatury układu
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
% L
T
[
C
]
Wnioski:
Część A: W części A analizie poddano typowy dla przemysłu materiałów ogniotrwałych
trójfazowy układ MgO-Al
2
O
3-
SiO
2
. Zidentyfikowano typowe elementy diagramu fazowego:
płaszczyznę solidusu, przecięcia płaszczyzn likwidusów (linie koniugacji), związku podwójne
i potrójne występujące w układzie, izotermy oraz punkty krytyczne (zerozmienne) oraz ich
eutektyczny lub perytektyczny charakter. Efektem symulacji komputerowej jest diagram
trójfazowy z naniesionymi elementami charakterystycznymi. Boki trójkąta to układy
dwuskładnikowe, linie przecięcia płaszczyzn likwidusów to linie współistnienia dwóch faz
stałych i cieczy a punkty krytyczne to miejsca współistnienia w równowadze trzech faz
stałych i cieczy.
Część B: W tej części skonstruowany został diagram dwufazowy układu MgO-Al
2
O
3
. Jego
konstrukcja została dokonana bezpośrednio z diagramu trójskładnikowego. Podstawą był
jeden z boków trójkąta. Odczytujemy z niego punkty topnienia czystych składników, punkt
topienia związków podwójnych, jeżeli występują, punkty zerozmienne, oraz izotermy.
Możliwa jest konstrukcja trzech diagramów podwójnych.
Część C: Diagram pozwala także na analizę torów krystalizacji i tym samym topnienia.
Pozwala to na odczytania jakie fazy występują w każdej interesującej nas temperaturze oraz
określić ilościowy skład każdej z faz.
Część D: Diagram pozwala także na swobodne przechodzenie ze składów wagowych
zakładanych mieszanin na skały tlenkowe (trójkąty kompozycji i trójkąt składów Gibasa),
pozwala przewidywać ilość fazy ciekłej, która pojawia się w poszczególnych fazach
spiekania.
Diagramy fazowe pozwalają na przewidywanie przebiegu i regulację procesu spiekania
stosownie do przyjętych założeń w zakresie uzyskiwania pożądanych efektów.