Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki
Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie
Laboratorium z Podstaw Inżynierii Materiałów
Ćwiczenie nr 2:
ZASTOSOWANIE DIAGRAMÓW TRÓJSKA
ADNIKOWYCH W ANALIZIE
PRZEMIAN FAZOWYCH W SPIEKANYCH PROSZKACH
III rok, studia niestacjonarne, technologia chemiczna
Nr ćwiczenia Temat ćwiczenia: Data wykonania:
4 Zastosowanie diagramów trójskładnikowych w 5.11.2011
analizie przemian fazowych w spiekanych
proszkach
Grupa: Wykonali: ProwadzÄ…cy: Ocena:
2 mgr Józef Nawracaj dr inż.
Michał Baster Karol Kyzioł
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 O
2 3
 SiO przy wykorzystaniu programu Keramos.
2
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 Nazwa fazy Skrót Wzór stechimometryczny
(termin angielski) (termin polski)
Silica Kwarc Kw SiO2
Cristobalite Krystobalit K SiO2
Tridymite Trydymit T SiO2
Protoenstatite Protoenstatyt Pr MgO·SiO2
lub Mg SiO3
Forsterite Forsteryt F 2MgO·SiO2 lub
Mg2 SiO4
Periclase Peryklaz P MgO
Spinel Spinel Sp MgO·Al2O3 lub
MgAl2O4
Corundum Korund Ko Al2O3
Mullite Mulit M 3 Al2O3·2 SiO2 lub
Al6Si2O10
Cordierite Kordieryt C MgO·2Al2O3·5 SiO2 lub
Mg2Al4Si5O18
Sapphirine Safiryn S 4MgO·5Al2O3·2 SiO2 lub
Mg4Al10Si2O23
A. Zastosowanie reguły dz
wigni i nanoszenie punktów składu
Tabela 1. Identyfikacja związków występujących w badanym układzie
Związek Skład
L.p
Związki podwójne
MgO Al O SiO
2 3 2
1 Forsteryt Mg SiO 57 0 43
2 4
2. Protoenstatyt MgSiO 40 0 60
3
3. Spinel MgAl O 29 71
2 4
4. Mulit Al6Si2O10 0 71 29
Związki potrójne
1 Kordieryt Mg Al Si O 14 35 51
2 4 5 18
2 Safiryn Mg Al Si O 21 64 15
3 10 2 23
Tabela 2. Punkty krytyczne układu trójskładnikowego MgO- Al O
2 3- SiO
2
L.p Fazy Temperatur Skład cieczy w punkcie Rodzaj punktu
krytycznym [%] krytycznego
pozostajÄ…ce w a krytyczna
(P/E)
równowadze [0C]
MgO Al O SiO
2 3 2
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 O
2 3- SiO
2
B. Konstrukcja diagramu dwuskładnikowego MgO- Al O
2 3
Tabela 3. Punkty wyznaczające krzywą likwidusu w układzie
dwuskładnikowym MgO- Al O
2 3
L.p Rodzaj punktu Temperatura Skład [%]
[0C]
MgO Al O
2 3
1. Punkt topnienia MgO 2800 100 ----
2. Punkt topnienia Al O 2020 ----- 100
2 3
3. Punkt topnienia spinelu 2135 29 71
1850 45 55
1925 2 98
2000 7 93
2100 20 80
2200 52 48
4.
Punkty zerozmienne i 2300 56 44
izotermy
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 O
2 3
C. Badanie topnienia w układzie MgO- Al O
2 3- SiO
2
Tabela 4. Charakterystyka procesu topnienia - krystalizacji w układzie MgO- Al O
2 3-
SiO
2
Temp Skład fazowy [%]
Występujące Przykładowe
(zakres) Przemiana fazowa
fazy temperatury L Sp F C
[0C]
1971-175 L LÄ…ðSp 1971 100 0 0 0
5 L,Sp LÄ…ðSp 1917 83 17 0 0
L,Sp LÄ…ðSp 1863 72 28 0 0
L,Sp LÄ…ðSp 1809 65 35 0 0
L,Sp LÄ…ðSp 1755 60 40 0 0
1701-137 L,Sp,F LÄ…ðSp+F 1701 55 45 0 0
1 L,SP.F LÄ…ðSp+F 1635 19 55 26 0
L,SP,F LÄ…ðSp+F 1569 12 57 31 0
L,Sp,F LÄ…ðSp+F 1503 10 58 32 0
L,Sp,F LÄ…ðSp+F 1437 8 59 33 0
L,Sp,F LÄ…ðSp+F 1371 7 59 34 0
1370 L,Sp,F, C L+SpÄ…ðF+C 1370 0 58 36 6
0% Liquid oznacza że nastąpił koniec procesu krystalizacji.
Tlenkowy skład wyjściowy:
" MgO  38 %
" Al O - 44 %
2 3
" SiO  18 %
2
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 siÄ™. W temperaturze 1701 stopni zmienia siÄ™ 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 O określić
2 3- SiO
2
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 O
2 3- SiO
2
32 % SiO
2
35,5 % Al O
2 3
32,5 % MgO
" Ilość fazy ciekłej
L[%] Temp.[0C]
100 2000
65,7 1950
53,5 1900
46 1800
38,3 1700
34,8 1600
0 1370
W temperaturze 2000 0C (punkt A)
23/23 * 100%=100%
W temperaturze 1950 0C (punkt B)
23/35 *100%=67,5 %
W temperaturze 1900 0C (punkt C)
23/43 *100%=53,5 %
W temperaturze 1800 0C (punkt D)
23/50 *100%=46 %
W temperaturze 1700 0C (punkt E)
23/60 *100%=38,3 %
W temperaturze 1600 0C (punkt F)
23/66 *100%=34.8 %
Wykres zależności ilości cieczy od temperatury układu
2100
2000
1900
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
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 O . Zidentyfikowano typowe elementy diagramu fazowego:
2 3-SiO
2
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 O . Jego
2 3
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 pozwalajÄ… na przewidywanie przebiegu i regulacjÄ™ procesu spiekania
stosownie do przyjętych założeń w zakresie uzyskiwania pożądanych efektów.