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

LSp
LSp
LSp
LSp
LSp

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

LSp+F
LSp+F
LSp+F
LSp+F
LSp+F
LSp+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+SpF+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.