BADANIA FRONTU KRYSTALIZACJI DWUSKŁADNIKOWYCH STOPÓW Al Si W KANAŁACH METALOWYCH FORM ODLEWNICZYCH

Transkrypt

1 15/6 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2002, Rocznik 2, Nr 6 Archives of Foundry Year 2002, Volume 2, Book 6 PAN - Katowice PL ISSN BADANIA FRONTU KRYSTALIZACJI DWUSKŁADNIKOWYCH STOPÓW Al Si W KANAŁACH METALOWYCH FORM ODLEWNICZYCH J. MUTWIL 1, R. JANOWSKI 2, M. MICHALSKI 3, Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego ul. Podgórna 50, Zielona Góra STRESZCZENIE Dla aluminium i jego stopów z krzemem przedstawiono skaningowe obrazy frontu krystalizacji strugi krzepnącej w kanale formy metalowej. Key words: metal flow, aluminum-silicon alloys, SEM - micrographs of crystallization interface 1. WPROWADZENIE Badania krystalizacji płynących metali i stopów prowadzono, próbując- w ramach badań nad lejnością- ustalić mechanizm blokowania przepływu. Początkowo zakładano dwa podstawowe mechanizmy krzepnięcia [1]. Czystym metalom i stopom o wąskim zakresie temperatur krystalizacji przypisywano krzepnięcie kierunkowe, w którym na ściankach kanału pojawiała się warstwa pierwszych kryształów, rozrastających się w dalszej kolejności w kierunku jego osi. Stwierdzono jednocześnie, że czyste metale wykazują gładkościenny front wzrostu (krystalizacja komórkowa), który - w miarę dodawania pierwiastków stopowych - wykazuje tendencje do wzrostu komórkowodendrytycznego (krzepnięcie chropowatościenne). Stopom o szerokim zakresie temp e- ratur krzepnięcia przypisywano tendencję do wydzielania kryształów w objętości strugi, które - gromadząc się w obszarze jej czoła - powodowały ostatecznie blokadę przepływu. Ta abstrahująca od warunków krystalizacji klasyfikacja okazała się zbyt uproszczo- 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl 2 mgr inż., r.janowski@iipm.uz.zgora.pl 3 mgr inż., m.michalski@iipm.uz.zgora.pl 141

2 na, a kolejne prace wykazały możliwość mieszanego typu krzepnięcia strugi [2]. Poniżej zaprezentowano ilustracje frontu krystalizacji strugi aluminium i dwuskładnikowych stopów Al - Si w kanale 16 mm formy metalowej. 2. OPIS BADAŃ Front krystalizacji badano na mikroskopie JSM-5600 LV, a próbki pochodziły z badań wykonanych na stanowisku przedstawionym w pracy [3] tego numeru Archiwum Odlewnictwa. Skorupy próby wylewania resztek uzyskano, likwidując w trakcie płynięcia nadciśnienie w komorze pieca i wyciągając jednocześnie zatyczkę z otworu 12 mm wywierconego na płaszczyźnie podziałowej wnęki wstępnej (w [3] na rys.1 ukazano inną wersję wnęki wstępnej). Ilustracje skorup z próby wylewania resztek (kolumna SWR) oraz skaningowe obrazy powierzchni czoła swobodnie zakrzepłej strugi (kolu m- na I) i powierzchni wewnętrznej skorup (kolumna II) zestawiono w tabeli 1. Z uwagi na pełne wykorzystanie stron, niektóre wiersze tabeli 1 przedzielono opisami. Tabela 1. Ilustracje frontu krystalizacji Table. 1. Illustrations of solidification interface Oznaczenie stopu 1) SWR Front krystalizacji obraz SEM I) Powierzchnia czoła II) Powierzchnia boczna A0 142

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 2) 0.8 3)

4 4) 5.2 5) 6.4 Zamieszczone ilustracje skorup potwierdzają kierunkowy w warunkach eksperymentu charakter krystalizacji wszystkich zbadanych metali. Nie wyklucza to oczywiście mo ż- liwości mieszanego typu ich krzepnięcia. W sensie makroskopowym krzepnięcie st o- pów nadeutektycznych było chropowatościenne. Pozostałe stop y krzepły gładkościennie, a większe nierówności powierzchni występowały w obszarze czoła strugi (górna część skorupy). Najmniejsze nierówności powierzchni widoczne są na próbce aluminium, aczkolwiek różnice w stosunku do pozostałych stopów pod- i okołoeutektycznych nie są duże. 144

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 6) 7.0 7) 9.4 8) 11.7 BEI 145

6 Dla stopów podeutektycznych charakterystyczny jest paraboliczny profil krzepnięcia. Obserwacje w skali mikro dostarczają znacznie więcej informacji o krys talizacji strugi. Zarówno na swobodnie zakrzepłej powierzchni czoła strugi, jak i na wewnętrznych powierzchniach skorup wyraźnie są widoczne szczegóły frontu krystalizacji. Dla aluminium i stopów podeutektycznych, wraz ze wzrostem zawartości krzemu, nasila się tendencja do krystalizacji komórkowo-dendrytcznej. Do zawartości krzemu 9.4% na froncie krystalizacji widoczne są jedynie kryształy fazy. W pozostałych przypadkach uwidacznia się eutektyka, której towarzyszą dendryty pierwotnej fazy, bądź ścianowe kryształy fazy w przypadku stopów nadeutektycznych. 9) ) BEI 18.0 BEI 146

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 11) 21.4 BEI Znaczne nagromadzenie pierwotnych kryształów krzemu w obszarze czoła strugi obu n a- deutektycznych stopów świadczy o mieszanym typie ich krystalizacji. Podobnie nie można wykluczyć obecności swobodnych dendrytów fazy w czole strugi siluminów okołoeutektycznych. Obserwacja w skali mikroskopowej frontu krystalizacji na powierzchni wewnętrznej skorup siluminów nadeutektycznych wykazuje, że chropowaty w sensie makro front krzepnięcia wynika z powierzchniowej obecności kryształów krzemu pierwotnego. 3. PODSUMOWANIE Przedstawione wyniki badań wykazały przydatność mikroskopii skaningowej do analizy frontu krystalizacji metali i stopów w okresie przepływu. Obserwacje swobodnie zakrzepłego czoła strugi pozwalają ocenić etap krystalizacji bezpośrednio poprzedzający zatrzymanie przepływu, w tym mechanizm jego powstrzymania. Dla próbek, w których w obszarze czoła widoczne są wyraźnie ostre gałęzie dendrytów fazy, z wolnymi przestrzeniami pomiędzy nimi, można przyjąć, że miejsce zablokowania przepływu było usytuowane poniżej obszaru czoła. Dla próbek, w których kontury de n- drytów są rozmyte lub widoczne jest znaczne nagromadzenie fazy miejscem blokady przepływu był obszar czoła strugi. LITERATURA [1] Flemings M.C: Fluidity of metals-techniques for producing ultra-thin section castings, The British Foundryman, 57, 1964, s [2] Engler S., Lee Z.: Fließvermögen und Warmrißverhalten von Blei-Antimon- Legierung, Giesserei-Forschung, vol. 30, nr 3, 1978, s [3] Mutwil J., Janowski R.: Zdolność dwuskładnikowych stopów Al-Si do odwzorowania formy, Archiwum Odlewnictwa vol. 2, nr 6, 2002, s Badania prowadzono w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach

8 INVESTIGATIONS OF CRYSTALLIZATION INTERFACE BY SOLIDIFICA- TION OF BINARY ALUMINUM-S ILICON ALLOYS IN METAL CHANNELS OF FOUNDRY MOULDS SUMMARY For aluminum and aluminum-silicon alloys flowing and solidifying in metal mould channel the SEM-micrographs of crystallization interface have been presented. Recenzował: prof. dr hab. inż. Edward Guzik 148