WPŁYW WARUNKÓW PRZESYCANIA I STARZENIA STOPU C355 NA ZMIANY JEGO TWARDOŚCI

Transkrypt

1 40/15 Archives of Foundry, Year 2005, Volume 5, 15 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2005, Rocznik 5, Nr 15 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW WARUNKÓW PRZESYCANIA I STARZENIA STOPU C355 NA ZMIANY JEGO TWARDOŚCI A. W. ORŁOWICZ 1, A. TRYTEK 2, M. MRÓZ 3 Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska ul. W. Pola 2, Rzeszów STRESZCZENIE 7 Praca dotyczy opracowania parametrów obróbki cieplnej odlewów ze stopu C355 w celu polepszenia ich właściwości użytkowych. W pracy przedstawiono wpływ temperatury i czasu wygrzewania podczas przesycania i starzenia na twardość odlewów ze stopu C355 Key words: C355 alloy, heat treatment 1. WSTĘP Stop C 355, należący do grupy stopów Al-Si-Cu-Mg znajduje zastosowanie na odpowiedzialne odlewy w przemyśle samochodowym i lotniczym. Dla podwyższenia właściwości mechanicznych tego stopu stosuje się zabieg rozdrobnienia wydzieleń fazy oraz zabieg rozdrobnienia eutektyki i zmiany morfologii wydzieleń krzemu z gruboziarnistej i płytkowej na włóknistą. Ważną cechą tych stopów jest możliwość poprawy ich właściwości mechanicznych drogą obróbki cieplnej. Do uzyskania wymaganych właściwości mechanicznych odlewów dobiera się parametry obróbki cieplnej: temperaturę i czas zabiegu przesycania, warunki chłodzenia oraz temperaturę i czas starzenia. [1,2]. Przyjmując temperaturę przesycania należy uwzględnić temperaturę topnienia faz bogatych w miedź. Najwyższą temperaturę topnienia ma faza Al 2 Cu, niższą eutektyka Al-Al 2 Cu, a jeszcze niższą faza Al 5 Mg 8 Cu 2 Si 6. Podwyższenie temperatury przesycania do 540 o C prowadzi do nadtopienia fazy Al 2 Cu i tworzenia mikroporowatości po chłodzeniu, co w konsekwencji powoduje obniżenie właściwości mechanicznych. W e- 1 prof. dr hab. inż., aworlow@prz.rzeszow.pl 2 dr inż., trytek@prz.rzeszow.pl 3 dr inż.,mfmroz@prz.rzeszow.pl

2 305 dług Samuel`a i współpracowników [2] po przesycaniu stopu AlSiCuMg (3-4%Cu; 5,5%Si; 0,1%Mg) z temperatury 540 o C nawet po 12 godzinach wytrzymania go w tej temperaturze obserwowano nierozpuszczone bloki fazy Al 2 Cu. W trakcie przesycania następowała fragmentacja i rozpuszczanie fazy -Al 5 FeSi. Natomiast faza zawierające mangan Al 15 (FeMn) 3 Si 3 nie uległa rozpuszczeniu w temperaturze 540 o C nawet po wytrzymaniu w czasie 24 godzin. Problem doboru obróbki cieplnej stopów aluminium jest nadal przedmiotem opracowań. W praktyce przemysłowej prostą i popularną metodą oceny jakości odlewów jest próba twardości. W szeregu prac przedstawione są wyniki badań wpływu temperatury i czasu przesycania i starzenia na wytrzymałość i twardość stopów aluminium [4-8]. 2. METODYKA BADAŃ 2.1. Materiał do badań Materiałem do badań był stop C355. Stop ten otrzymano według procedury stos o- wanej przy produkcji odlewów wirników turbosprężarek w WSK PZL Rzeszów S.A.. Ciekły metal przygotowano wykorzystując piec komorowy gazowy i piec elektryczny oporowy wgłębny. Skład chemiczny uzyskanego stopu C355 przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny stopu C 355 Table 1. Chemical compositions C355 alloy Zawartość pierwiastków, % wag. Si Mg Cu Mn Fe Ti B Pb Sn Na Al 4,56 0,50 1,25 0,02 0,12 0,14 0,001 0,005 0,006 0,005 reszta Z tak przygotowanego stopu odlano płyty o wymiarach 260x50x10 mm. Metal zalewano do formy kokilowej. Kokilę podgrzewano wstępnie do temperatury 300 o C. Odlewy wybijano z formy po upływie trzech minut, licząc od momentu zakończenia zalewania. Mikrostrukturę materiału odlewu przedstawia rysunek 4a Cel i zakres badań Praca miała na celu uzyskanie danych umożliwiających dobór parametrów obróbki cieplnej, zapewniających minimalizację czasu jej trwania z uwagi na twardość. Dla wykazania wpływu parametrów obróbki cieplnej na strukturę stopu C355 wykonano badania metalograficzne. Badania prowadzono na próbkach o wymiarach 60x25x6mm wyciętych z odlewów. 3. WYNIKI BADAŃ Wyniki badań wpływu temperatury przesycania na zmianę twardości stopu C355 przedstawiono na rysunku 1. Za najkorzystniejszą uznano temperaturę przesycania równą 525 o C. Wpływ czasu przesycania z temperatury 525 o C na twardość stopu C 355

3 Twardość, HV5 Twardość HV5 306 przedstawiono na rysunku 2. Za najkorzystniejszy uznano czas przesycania 4h. Wpływ temperatury i czasu starzenia próbek przesyconych z temperatury 525 o C w czasie 4h, na twardość stopu C355 przedstawiono na rysunku czas wytrzymania 4h czas wytrzymania 12h Temperatura przesycania, o C Rys. 1. Wpływ temperatury przesycania na twardość stopu C 355 dla czasu wytrzymania 4 i 12 h Fig. 1. Influence solution temperature on hardness C355 alloy for time 4 h and 12 h Czas przesycania, h Rys. 2. Wpływ czasu przesycania w temperaturze 525 o C na twardość stopu C 355 Fig. 2. Influence time solution in the temperature 525 o C on hardness C 355 alloy Na rysunku 4 przedstawiono mikrostrukturę stopu w stanie surowym (a), po przesycaniu z temperatury 525 o C w czasie 4 i 12 godzin i następnym chłodzeniu w wodzie. Na rysunku 5 przedstawiono mikrostrukturę stopu po przesycaniu z temperaturze 525 o C

4 Twardość HV w czasie 4 h i chłodzeniu w wodzie o temperaturze 20 o C i następnym starzeniu w temperaturze 155 o C w czasie 2, 4, i 12 godzin o C 155 o C 135 o C o C Czas starzenia, h Rys. 3. Wpływ temperatury i czasu starzenia, po przesycaniu z 525 o C, na twardość stopu C 355 Fig. 3. Influence temperature and time ageing, after solution in 525 o C on hardness C 355 alloy a) b)

5 308 c) Rys. 4. Mikrostruktury stopu C355: a) stan surowy, b) przesycanie 525 o C - 4 h, c), przesycanie 525 o C - 12 h Fig. 4. Microstructures C355 alloy: a) as cast conditiony, b) solution 525 o C - 4 h, c), solution 525 o C - 12 a) b) c) Rys. 5. Mikrostruktury stopu C355 po przesycaniu w temperaturze 525 o C: a) i starzeniu w temperaturze 155 o C przez 2 h, b) starzeniu w temperaturze 155 o C przez 12 h, c) starzeniu w temperaturze 155 o C przez 16 h Fig. 5. Microstructures C355 alloy after solution in the temperature 525 o C and ageing: a) 155 o C - 2 h, b) 155 o C - 12 h, c) 155 o C- 16 h 4. PODSUMOWANIE Analiza wpływu parametrów przesycania i starzenia stopu C 355 wskazuje na możliwość znacznego skrócenia czasu trwania obróbki cieplnej, celem uzyskania najwyższej jego twardości, w porównaniu do wymagań procedur stosowanych w praktyce przemysłowej (przesycanie 525 o C/12h/woda, starzenie 155 o C/5h/ powietrze). Stwier-

6 309 dzono, że przesycanie z temperatury 525 o C daje rzeczywiście najkorzystniejsze efekty, ale wystarczy stosować czas 4 h. Najwyższą twardość stopu uzyskuje się po starzeniu w temperaturze 155 o C i czasie 12h. LITERATURA [1] Rometsch P. A., Schafter G. B., Taylor J. A.: Mass balance characterisation of Al-7SiMg alloy microstructures as a function of solution time. Int J. Cast Metals Res. 2001, 14, [2] Samuel A. M., Gauthier J., Samuel F. H.: Microstructural aspects of the dissolution and melting of Al 2 Cu phase in Al-Si alloys during solution heat treatment. Metallurgical and Materials Transactions A, vol 27A, July, 1996, [3] Sokołowski J. H., Djurdjevii M. B., Kierkus Ch, A. Northwood D., O: Improvement of 319 aluminium alloy casting durability by high temperature solution treatment. Journal of Materials Processing Technology, 109, 2001, [4] Rometsch P. A., Schaffer G. B.: An age hardening model for Al-7SiMg casting alloys. Materials Science and Engineering, A 325, 2002, [5] Caceres C. H., Sokołowski J. H., Gallo P.: Effect of ageing and Mg content on the quality index of two model Al-Cu-Si-Mg alloys. Materials Science and Engineering. A 271, 1999, [6] Shercliff H., Ashby M.: A process model for age hardening of aluminium alloys I the model. Acta Metal. Mater. 1990, 38, [7] Li R. X., Li R. D., Zhao Y. H., He L. Z., Li C. X., Guan H. R., Hu Z. Q.: Age hardening behavior of cast Al-Si base alloy. Materials Letters, 58, 2004, [8] Mc Lellan.: Modeling microstructural characterictis of Al-Si-Mg casting to develop product assurance AFS Trans. 1982, 78, Pracę wykonano w ramach umowy U-6583/DS realizowanej na Politechnice Rzeszowskiej. SUMMARY EFFECT OF SOLUTION HEAT TREATMENT AND AGING ON HARDNESS OF C355 ALLOY The paper is devoted to developing heat treatment parameters for castings of the C355 alloy in order to improve their service properties. The effects of temperature and time of soaking during solution heat treatment and aging processes on hardness of castings of the C355 alloy are presented. Recenzował Prof. Józef Gawroński