WPŁ YW STRUKTURY PIERWOTNEJ NA WŁASNOŚCI MECHANICZNE SILUMINÓW PODEUTEKTYCZNYCH AISiMg ODLEWANYCH METODĄ PÓLCIĄGLĄ ADAM RYLSKI. Politechnika Łódzka,

Transkrypt

1 20, 1994 Solidification o f Metais and Alloys Krzepnięcie Metali i Stopów PL ISSN WPŁ YW STRUKTURY PIERWOTNEJ NA WŁASNOŚCI MECHANICZNE SILUMINÓW PODEUTEKTYCZNYCH AISiMg ODLEWANYCH METODĄ PÓLCIĄGLĄ ADAM RYLSKI Politechnika Łódzka, Łódź W pracy zbadano wpływ modyfikacji strontem, tytano-borem, ultradźwiękami na strukturę i własności mechaniczne siluminu podeutektycznego AISi7Mg0,6 odlewanego metodą półciągłą. Badania własności mechanicznych stopu AISi7Mg0,6 przeprowadzono w dwóch stanach: lanym i utwardzonym dyspersyjnie, wykorzystując statyczną próbę rozciągania i pomiar twardości. Interpretację statycznej próby rozciągania przeprowadzono opierając się na wskaźniku jakości stopu Q. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że wskaźnik jakości Q wzrasta w wyniku obróbki cieplnej stopu. Wzrost ten związany jest ze strukturą stopu, a głównie z przekształceniem morfologii krzemu eutektycznego. Wprowadzenie Siluminy podeutektyczne typu AlSiMg należą do szerokiej grupy tworzyw stosowanych w odlewnictwie stopów aluminiowych. Celem licznych prac badawczych jest świadome sterowanie procesami krystalizacji tych stopów i uzyskanie nąjkorzystniejszych własności. Struktura siluminów podeutektycznych składa się z plastycznego roztworu stałego a (Al), twardych i kruchych krysztalów eutektycznych krzemu oraz faz międ zymetalicznych, których źródłem są zanieczyszczenia, na przykład Fe lub celowo wprowadzone dodatki, na przykład Mg. Oddziaływanie w kierunku uzyskania korzystniejszej struktury. a tym samym i własności mechanicznych, powinno opierać s i ę na

2 92 A. Rylski równoczesnym rozdrobnieniu przedeutektycznych dendrytów roztworu stałego a (Al) oraz przemianie nieregularnej, płytkowej eutektyki a (Al)-Si w e utekty kę "koralowo -włóknistą", zbliżoną do eutektyki regularnej o minimalnej odleg łości międzyfazowej A.. Powyższą przemianę eutektyki a (Al)-Si uzyskuje s i ę poprzez zastosowanie sodu lub strontu. Stront utrudnia zarodkowanie kryształów krzemu i wywołuje przechłod z enie krystalizacji eutektycznej, czemu towarzyszy znaczne zmniejszenie odległości międz y fazowej A. i wyraźna zmiana k s ztałtu kryształów eutektycznych krzemu [l]. Spośród pierwiastków, czy też stopów wykorzystywanych do rozdrabniania ziarn w siluminach podeutektycznych, najszersze zastosowanie znalazł stop A1Ti5Bl. Rozdrobnienie dendrytów roztworu s tałego a (Al) w sensie zmniejszenia średni ej od l eg łośc i międ zy ramionami dendrytów oraz średnich wymiarów utworzonych makroziarn uzyskuje s ię poprzez modyfikację stopu tytano-borem powodującym wytworzenie w stopie "aktywnych podkładek" do zarodkowania heterogenicznego tej fazy. Aktywne oś rodki krystalizacji znacznie zmniejszają sto pień prze chłodzenia wymagany do utworzenia zarodków krystalizacji, ułatwiają zarodkowanie i przyspieszają proces krystalizacj i. Skutkiem tego rodzaju modyflkacji jest rozdrobnienie dendrytów roztworu stałego a (Al) w strukturze odlewów, z czym wiąże s ię bezpo średnio polepszenie ich wła sno ści mechanicznych. Wpływ niektórych modyflkatorów na proces krystalizacji i uzy skiwan ą ś rednią wielkość makroziarn w siluminach podeutektycznych szeroko opisano w pracy [2]. Wpł y w ultradźwięków na proces krystalizacji jest ogólnie znany, ale mechanizm ich o ddziaływania nie jest do końca wyjaśniony. Wiadomo, że ultrad źw ięki powoduj ą mieszanie i odgazowanie ciekłego stopu, równomierne rozprowadzenie wtrąceń niemetalicznych i ośrodków krystalizacji oraz ich aktywność powierzchniową, zmniejszenie n ap i ęc ia powierzchniowego, rozdrobnienie dendrytów wskutek ich rozmnażania spowodowanego nadtapianiem, łamaniem i odrywaniem ramion. illtradźwięki mogą powodować zjawisko kawitacji, której skutkiem jest wywoływanie lokalnie bardzo wysokich c i ś ni e r1. Z analizy zal eżno ści na promień krytyczny zarodka [3, 4] wynika, że zmniejszenie wymiaru zarodka krytycznego można uzyskać poprzez obniżenie napięcia powierzchniowego, zwiększenie przechłodzenia, a także z większenie ciśnienia zewnętrznego. Wpływ ciśnienia na układ równowagial-siopisano w pracy [5]. Metoda odlewania półciągłego jest stosowana głównie dla stopów przeznaczonych do przeróbki plastycznej. Metoda ta zapewnia duże przechłodzenie krystalizacji stopu, co bezpo ś rednio wiąże s ię z oddziaływaniem na roztwór stały a (Al), poprzez zmniejszenie wartości promienia krytycznego dla zarodkowania heterogenicznego, zwiększenie liczby zarodków, w wyniku czego uzyskuje się rozdrobnienie dendrytów a (Al) i zwiększenie ich ud z iałów w strukturze stopu. Przechłodzenie również korzystnie wpływa na strukturę eutektyki a (Al)-Si zmniejszając odleg ło ść międzyfazową A., co powoduje wzrost własno ś ci mechanicznych.

3 Wpływ struktury pierwotnej Badania Do badań zastosowano silumin A1Si7Mg0,6. Skład chemiczny odlanego stopu przedstawiono w tabeli l. Tabela l Skład chemiczny, % S i Mg Fe M n T i Z n C u Sr 7,0 0,55 0, ,10 0,02 0,002 O,Q30 Tabela 2 Nr Sposób modyfikacj i Stan Rm A s HB Q E* próbki MPa % 51250/300 MPa MPa l 0.030% Sr l , t b , %Sr +ultradźwięki l ,2 79, t b % Sr + 0.2% AlTi5Bl l , t b 373,7 15, ,030% Sr + 0.2% AlTi5Bl + l ,3 78, ultradźwięki t b , l- stan lany tb - stan po utwardzaniu dyspersyjnym Silumin modyfikowany wcześniej 0,030% Sr przetopiono w piecu indukcyjnym i z temperatury 730 C odlano metodą półciągłą dwa wlewki o średnicy 75 mm i długo ści l m, przy czym z jednego wsadu odlewano jeden wlewek. Przed odlewaniem drugiego wlewka do ciekłego stopu wprowadzono 0,2% stopu AlTi5Bl. W obu przypadkach część krystalizującego stopu poddano działaniu ultradźwięków o częstotliwości ±500 Hz. Ultradźwięki wprowadzono bezpośrednio do ciekłego stopu poprzez zanurzoną w nim sonotrodę. W ten sposób uzyskano założone warianty modyf1kacji stopu A1Si7Mg0,6, które przedstawiono w tabeli 2. Następnie z odpowiedniej części obu wlewków wycięto próbki odpowiadające poszczególnym wariantom modyftkacji. Badania metalograficzne, skaningowe i wybranych własno ści mechanicznych przeprowadzono w dwóch stanach: lanym i po obróbce cieplnej, polegającej na wygrzaniu próbek w temperaturze 540±5 C przez 5 godzin, następnie szybkim ochłodzeniu w wodzie o temperaturze pokojowej i sztucznym starzeniu w temperaturze 160±5 C w ciągu 6 godzin. Badania własności mechanicznych wykonano na podstawie pomiaru twardości metodą Brinella, zgodnie

4 94 A. Rylski z PN-91/H-04350, i statycznej próby rozciągania metali, zgodnie z PN-91/H Statyczną próbę rozciągania przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej loston 1115 stosując próbki pięciokrotne o średnicy pomiarowej d 0 = 5 mm. Badania metalograficzne przeprowadzono na mikroskopie optycznym Epityp 2, a badania skaningowe głęboko wytrawionych przełomów na mikroskopie Philips SEM 500. Wyniki badań Na podstawie przeprowadzonych badań metalograficznych i skaningowych stwierdzono silne rozdrobnienie struktury zarówno roztworu stałego ex (Al), jak i eutektyki ex (Al)-Si. Krzem eutektyczny występuje w postaci bardzo rozgałęzionej, o minimalnej odległości międzyfazowej A.. W wyniku zastosowanej obróbki cieplnej "szkielet krzemowy" ulega całkowitej przebudowie w formę sferoidalną. Przykładowe wyniki badań metalograficznych i skaningowych dla próbki nr 3 przedstawiono na rysunkach 1-4. Wyniki badań wybranych własności mechanicznych przedstawiono w tabeli 2. Interpretację wyników statycznej próby rozciągania przeprowadzono na podstawie tzw. wskaźnika jakości stopu Q, który wiąże ze sobą i A 5, oraz z uwzględnieniem prawdopodobnej granicy plastyczności E. Rys. l. Mikrostruktura próbki nr 3 w stanie lanym; pow. 400x ł..... l. '... :.... ' '.....t. ;-... jt-:.-.! '...,:--4. :.., o. lflll'-.. 'III{ ' ' ' ' ' J9f_ ] #... ła Rys. 2. Mikrostruktura próbki nr 3 w stanie obrobionym cieplnie; pow. 400x

5 Wpływ struktury pierwotnej Rys. 3. Głęboko wytrawiony przełom próbki nr 3 w stanie lanym; pow. 1375x Rys. 4. Głęboko wytrawiony przełom próbki w stanie obrobionym cieplnie; pow. 2750x Wartość Q i E wyznacza s ię z następujących zależności [6] : Q= Rm lg As przy czym As l % E= R- 60 lg A s - 13 Metoda wyznaczania Q i E jest wyczerpująco opisana w pracach [l] i [6]. Wskaźnik jakości stopu Q charakteryzuje stan w badanej próbce, wynikający z warunku krzepnięcia stopu, jak na przykład sposobu modyfikacji, szybkości stygnięcia. Wskaźnik Q nie zależy od stopnia umocnienia materiału spowodowanego obróbką cieplną i od zawarto ś ci magnezu. Natomiast prawdopodobna granica plastyczno ś ci E charakteryzuje wyłącznie stopień umocnienia materiału w odlewie i zależy od zawarto ś ci magnezu w stopie oraz zastosowanych parametrów sztucznego starzenia. Na rysunku 5 przedstawiono wyniki obliczeń Q i E dla próbki nr 4 w stanie obrobionym cieplnie. Dla porównania podano obliczone wartości Q i E dla stopu AK7 według danych zawartych w PN-76/H

6 96 A. Rylski K V f-.. -=-r\ t -. t-- f-- f-- ' 1-f- Cs:.-[XV k' ' V '\.- f K,... V 1\1. f- f ) '"\ r\. f V f-- ' ).Q =3{X) -o -=2ax 0,8 2 ') \. i-' --. f- 1- "' 1\ f\. 1\ 1'\ i-' 1'\ 1\.. f ::f50 l--' 1\ Q=400 a = [=300 {) =5j0 E =2j() Q =500 E =200 Q =50 3j fj 14 A,% Rys. 5. Wykres,-A 5 dla stopów typu AISiMg z zaznaczonymi wartościami Q i E dla: stopu A1Si7Mg0,6; próbka nr 4: O stan po obróbce cieplnej; stopu AK7; stan po obróbce cieplnej Wnioski l. W wyniku obróbki cieplnej wskaźnik jakości stopu Q wzrasta, co związane jest ze strukturą stopu, a głównie przekształceniem morfologii krzemu eutektycznego. 2. Próbki odlewane metodą półciągłą wykazują znacznie wyższe własności mechaniczne niż stop AIO. 3. W próbkach odlanych metodą półciągłą stwierdzono występowanie w eutektyce silnie rozbudowanego "szkieletu krzemowego" o minimalnej odległości międzyfazowej A.. Literatura l. Z. PONIEWIERSKI: Krystalizacja, struktura i właściwości siluminów. WNT, Warszawa G.K. SIGWORTII, M.M. GUZOWSKI: Giesserei-Praxis 1987, 5, J. BRASZCZYŃSKI : Teoria procesów odlewniczych. PWN, Warszawa E. FRAŚ : Krystalizacja metali i stopów. PWN. Warszawa A.YA. SHINAEV, D.B. CHERNOV, G.l. KHOKHTOVA: Zhur. Fiz. Khirn 1972,46, M. DRODZY, S. JACOB, M. RICHARD: Rev. Metali. 1978, 75, l 51.

7 Wpływ struktury pierwotnej Summary THE PRIMARY STRUCTURE EFFECT ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF THE AISiMg HYPOEUTECTIC SEMICONTINUOUS CAST SILUMIN The aim of the present work is to test the effect of modiłication by strontium, titanium-boron and ultrasounds on the structure and mechanical properties of the AISiMg0.6 hypoeutectic semicontinuous silumin cast alloy. The investigations of the mechanical properties of AISi7Mg0.6 alloy have been executed for sampies both after casting and after dispersion hardening using static tensile tests and hardness tests. The interpretation of tensile tests results has been performed basing on the alłoy quality coeffcient Q. In virtue of executed investigations one eoneludes that the Q coefficient increases as a result of the alłoy heat treatment. That increase in due to the alloy structure and mostly to the morphology modifications of eutectic silicon.