36/15 Sołidificatioa o{ Mda1s aud Alloys, No.36, 1998

Transkrypt

1 36/15 Sołidificatioa o{ Mda1s aud Alloys, No.36, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 36, 1998 PAN - Oddział Katowice PL ISSN KSZTAŁTOWANIE STRUKTURY l WI.AŚCIWOŚCI WYSOKOWYTRZYMAŁYCH STOPÓW AJ-Zn-Mg. RZADKOSZ Stanisław, STASZCZAK Leopold Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Odlewnictwa, ul. Reymonta 23, Kraków Właściwości wytrzymałościowe stopów są uzależnione od struktury pierwotnej odlewów i efektywności procesu utwardzenia dyspersyjnego. Kształtowanie struktury i właściwości wysokowytrzymałych stopów Al-Zn-Mg jest możliwe poprzez zapewnienie odpowiednich wanmków odlewania i stygnięcia odlewów, wprowadzenie do stopów odpowiednich aktywnych mikrododatków wpływających na proces zarodkowania i ku.epnięcia stopów oraz na efektywność procesów przesycania i starzenia. W pracy poddano analizie wpływ modyfikatorów (Ti,B,Zr) na efekty utwardzania dyspersyjnego stopów Al-Zn-Mg odlanych do form metalowych oraz do form piaskowych wilgotnych i suszonych. Wprowadzenie Właściwości odlewów ze stopów wysokowytrzymałych na osnowie aluminium zależą od cech mikrostruktury ukształtowanych w toku wytw317.ania stopów oraz ich krzepnięcia i stygnięcia w formie. Właściwości te po odlaniu są stosunkowo niskie i dopiero po przesycaniu i starzeniu uzyskują odpowiednio wysoki poziom. Sposób prowadzenia obróbki cieplnej i jej efekty są silnie uzależnione od morfologii struktury pierwotnej stopów, która z kolei zależy od szeregu czynników, a m.in. od rodzaju i zawartości składników stopowych, parametrów odlewania, wpływu mikrododatków i zanieczyszczeń oraz od efektywności procesów rafinacji i modyfikacji.

2 122 Uzyskanie wysokich właściwości wyb'zymałościowych możliwe jest przy odpowiednim stanie makrostruktmy i mikrostruktuiy odlewów, określonym postacią i rozmieszczeniem faz utwardzających, segregacją składników stopowych i zanieczyszcuń, rozmieszczeniem porowatości itp. Istotną rolę w tym zakresie odgrywają dodatki pierwiastków modyfikujących i warunki krzepnięcia odlewów.. Do stopów charakteiyzujących się wysoką wytrzymałością na rozciąganie nale- wieloskładnikowe stopy na osnowie AI-Zn-Mg (1,2,3,5,7,8,10,11,12). W mikrostrukturze stopów AI-Zn-Mg występować mogą, obok roztworu stałego a (Al), różne fazy międzymetalicme, opisywane w różny sposób [3,6, 8, 9): - faza t o formule (AI,Zn)4S32 lub faza T o formule AI2Zn3MS3 - faza a o formule (AI,Zn)2Mg lub faza l1 o formule MgZn2 - faza ej> o formule AI2Mgs.Zn2 - faza p o formule AlsMgs. Formuły faz podawane alternatywnie są często w analizie metalografiemej struktur stopów AI-Zn-Mg wykorzystywane w wersji uproszczonej jako fazy AI2Zn 3 MS3 i MgZn2. Faza p (AisMgs) pojawia się w stopach bogatych w dodatek magnezu (6]. W odlewach ze stopów AI-Zn-Mg, wskutek intensywnej segregacji dendiytycmej, zakresy występowania poszczególnych faz w strukturze zmieniają się, w zależności od warunków odlewania i krzepnięcia (temperatura odlewania, rodzaj formy, szybkość chłodzenia itp ). Podczas stygnięcia odlewów z roztworu stałego a (Al), wykazującego zmienną rozpuszczalność pierwiastków, mogą wydzielać z różną intensywnością wtórne fazy międżymetalicme. Zakres występowania tych faz wraz ze zmianą temperatury przedstawiono na cys.l w układzie potrój Rys. l. Zmiany zakresów występowania faz międzymetalicznych nym AI-Zn-Mg wraz ze zmianą temperatwy [8] Analiza składu fazowego w temperaturach otoczenia wskazuje, iż w stopach Al-Zn-Mg o zwiększonych zawartościach magnezu, gdy stosunek Zn/Mg = 1+2 fazą umacniającą jest faza T(AI 2 MSJZD 3 ). W stopach o mniejszej zawartości cynku, gdy

3 stosunek Zn/Mg > 2. fazą umacniającą jest faza MgZn2{8]. Stopy zawierające fazę T wykazują mniejszą skłonność do pękni na gorąco, co z punktu widzenia stopów odlewniczych jest korzystne. Badania ujęte w niniejszej. pracy dotyczą stopu AJ Zn5Mg3Cu, przy czym dodatek rzędu l % Cu nie zmienia w istotny sposób składu fazowego struktwy stopów. W ramach badań poddano analizie wpływ szybkości krzepnięcia oraz wpływ zabiegów modyfikacji na kształtowanie się struktury i właściwości odlewów ze stopów AJ-Zn Mg i efekty utwardzania dyspersyjnego stopów. Badania przeprowadzono na przykładzie stopów przygotowanych z czystych składników, tj. aluminium ARl (0,002%Fe i 0,002o/oSi) i miedzi katodowej oraz cynku EOl i magnezu Mgl. Topienie stopu wyjściowego przeprowadzono w piecu elektrycznym indukcyjnym w tyglu grafitowo-szamotowym. Próbki do badań w postaci próbek wytrzymałościowych i wałków (tjl30 x 250 mm) odlewano w temperaturze 1013 K (740 C) do podgrzanej kokili żeliwnej, do form piaskowych wilgotnych i fonn piaskowych suszonych. Otrzymane odlewy po przeprowadzeniu badań metalograficznych przesycano i starzono stosując parametry (temperatma, czas) zapewniające najwyższy efekt przesycania, które ustalone były na drodze wstępnych prób. Zawartość innych pierwiastków w badanych stopach, poza celowo wprowadzonymi, wynosiła : F e < 0,007 %, Si < 0,003 %, Mn <0,005 %, Cr < 0,004 %, Ni < 0,005 %, Zn < 0,04 %, Pb < 0,007%, B< 0,001 %. Wsad metalowy po stopieniu poddano zabiegom modyfikacji. Do modyfikacji zastosowano preparat w postaci zaprawy AJTi5, l oraz AJTi6B oraz zaprawę AJZr3. Dla porównania stosowano również preparaty modyfikujące na osnowie K2TiF6, KBF4 i K2Zrf6. Wymienione pierwiastki modyfikujące tworzą fazy międzymetaliczne-zarodki krystalizacji dla roztworu ego a. a także częściowo rozpuszczają się w roztworze stałym a. Ponieważ są to pierwiastki o małym współczynniku dyfuzji w aluminium i jednocześnie wpływające na dyfuzję innych pierwiastków, należy się spodziewać ich oddziaływania na procesy zachodzące podczas prasycania i starzenia stopów. Na przebieg procesów zachodzących podczas przesycania i ich efektywność wpływać będzie także rozdrobnienie struktury pierwotnej w odlewach (lepsze efekty rozpuszczania faz międzymetalicznych, lepsze ujednorodnienie a także większy stopień przesycenia roztworu stałego). W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu mikrododatków tytanu, boru oraz cyrkonu na strukturę w zależności od warunków krzepnięcia w formach metalowych i piaskowych oraz na przebieg procesu '7.enia i uzyskiwane w jego wyniku właściwości wytrzymałościowe stopu AJZn5Mg3Cu. 123

4 124 Wpływ moc:lyfikacji na strukturę i właściwości mechanicme. Wyniki badań wpływu pierwiastków modyfikujących na rozdrobnienie struktury 'stopu A1Zn5Mg3Cu struktury w zależności od rodzaju formy zestawiono przykładowo na'rys.2 oraz na rys.3. t Rys.2. Wpływ modyfikacji stopu AlZn5Mg3Cu na stopień rozdrobnienia struktury w zależności od warunków odlewania. Z przeprowadzonych badań metalografiemych wynika, że intensywność rozdrabniania struktury badanego stopu za pomocą dodatków tytanu lub cyrkonu jest stosunkowo mała. Srednia liczba ziarn zwiększa się kilkakrotnie po wprowadzeniu w/w pierwia.crtków w ilości O, 15-0,2%. Oba.-ność boru i tytanu bardzo silnie zwiększa intensywność procesu modyfikacji powodując blisko 50-krotne zwiększenie liczby ziarn. Zmienia się bardzo wyraźnie kształt ziarn - od wydłużonych do równoosiowych. Równocześnie rozdrobnione równoosiowe ziarna mają słabo rozwiniętą i rozgałęzioną budowę wewnętrzną, przyjmując szczególną rozdrobnioną postać poliedrycznych ziarn. W przypadku kompleksowego użycia dodatków tytanu i boru w ilości 0,05%Ti +{),Ol %B do modyfikacji stopu zawierającego dodatek 0,2% cyrkonu zaobserwowano zjawisko nieco mniejszych efektów rozdrobnienia struktury stopu AlZn5Mg3Cu. Wyniki badań wpływu dodatków modyfikujących na właściwości mechaniczne analizowanego stopu zestawiono przykładowo w tabeli l.

5 125 a) b) c) d) e) f) Rys.3. Mikrostruktura stopu AlZn5Mg3Cu odlanego do formy metalowej (a,c,e) i formy piaskowej wilgotnej (b,d,f) przed modyfiac ą (a,b) oraz po modyfikacji dodatkami 0,05 7ó Ti + O,Ol%B (c,d) i po mod ika<ji dodatkami 0,05%Ti + O,Ol%B stopu zawierającego dodatek 0,2 ózr te,f). Widoczne zarysy wydłużonych ziarn roztworu stałego a z zaznaczającą się niejednorodną chemiczille rozdrobnioną wewnętrzną budową (a) oraz rozdrobnione równoosiowe ziarna roztworu stałego po modyfikacjt (c,e). -duże niejtdnorodne krystality dendrytyczne (b) i silnie rozdrobnione ziarna roztworu stałego (d, f). Trawiono mieszaniną kwasów HN0 3 +HF+HCL Pow. x 100

6 126 Tabela l. Wpływ modyfikacji na właściwości A1Zn5Mg3Cu. Stan Rodzaj- Dodatek Właściwości ".p stopu formy modyfikatora Rm [MPa] As[%] HV l. po odlaniu metalowa po odlaniu metalowa 025%Ti po odlaniu metalowa O 05%Ti+ 0,02%B po odlaniu metalowa O,OSTi + 0,02B+0,2Zr 231 6,3 75 W przypadku modyfikacji kompleksowej dodatkami tytanu i boru ewentualnie cyrkonu stopień rozdrobnienia struktury silnie zwiększa się, wywołując poprawę wytrzymałości na rozciąganie, a szczególnie plastycmości w stanie po odlaniu. Jak wynika z danych ujętych w tabeli.l, oddziaływanie dodatków cyrkonu na właściwości wytrzymałościowe stopu jest wyraźnie korzystne, mimo mniejszego efektu rozdrobnienia struktury stopu. Duże rozdrobnienie struktury ziarn roztworu stałego ułatwia proces ujednorodnienia i przesycenia w całej objętości ziarn. a tym samym zwiększa wyraźniej właściwości wytrzymałościowe efekty utwardzania dyspersyjnego. Wpływ dodatków modyfikujących na przebieg procesu umacniania stopów. Badania wpływu wybranych mikrododatków modyfikujących oraz warunków krzepnięcia na przebieg procesu umacniania podczas starzenia stopu AlZn5Mg3Cu przedstawiono poglądowo na rys ł 120 ł 110 l 100 F vj. >-_...-t 'O 50 0,01 0,1 Y:. J w: /J v Pf Czas starmria, h Q, ł 120 ) 110 i 100 F- 90 b) 70 ::::1 50 0,01 0,1 h 'A 1c:xf: Vi l 1/3 J rj,., fl

7 1 1Sl : 120 ł 110! A u,/} i' 50 0,01 0,1 -, w: c) Rys.4. Wpływ procesów modyfikacji na przebieg utwardzania dyspersyjnego stopu A1Zn5Mg3Cu w zależności od warunków krzepnięcia (rys.4a - stop przed modyfikacją, rys.4b - stop po modyfikacji dodatkami 0,05%Ti+O.Ol %B. Rys.4c- stop zawierający 0,2o/oZr po modyfikacji dodatkami 0,05%Ti+O.Ol%B (krzywe l - stop odlany do form metalowych, krzywe 2 - stop odlany do formy piaskowej wilgotnej. krzywe 3. - stop odlany do form piaskowych suszonych). Temperatura starzenia 120 C).. W tabeli 3 zestawiono właściwości mechaniczne stopu AlZn5Mg3Cu modyfikowanego różnymi mikrododatkami uzyskane po utwardzaniu dyspersyjnym dla odlewów wykonanych w formie metalowej. Tabela 2. Własności mechaniczne stopu A1Zn5Mg3Cu po utwardzaniu dyspersyjnym. Rodzaj- Stan Dodatek Właściwości L. p formy stopu modyfikatora Rm.MPa As.% HV ll.ziar n l. metalowa po starzeniu C/12h 2. metalowa po starzeniu 0.25%Ti l20 C/12h 479 2, metalowa po starzeniu 0,05%Ti+ l20 C/12h o.02%b 497 2, metalowa po starzeniu 0,05Ti + l20 C/12h 0,02B+02Zr Zastosowane pierwiastki modyfikujące rozdrabniają w różnym stopniu strukturę stopu A1Zn5Mg3Cu. przy czym intensywność oddziaływania zależy również od szybkości krzepnięcia stopu w formie. Najbardziej efektywnie modyfikują strukturę dodatki tytanu i boru wprowadzone równocześnie w zaprawie w ilości 0,05%Ti i O,Ol%B.

8 128 Mniejszą intensywność oddziaływania rozdrabniającego wykazują preparaty w postaci mieszanin soli modyfikujących na osnowie K2TiF6t KBF4 i K2ZrF6. W obecności cyrkonu e,fekt rozdrobnienia struktury dodatkami tytanu i boru nieco się mmiejsza., Jednak stopy zawierające cyrkon (0,2%) modyfikowane tytanem i borem wykazują najwy1.szy poziom wytrzymałości na rozciąganie i plastycmości. W świetle uzyskanych wyników moma uznać obecność cyrkonu w badanym stopie za korzystną, biorąc pod uwagę również również fakt, że pierwiastek ten wywiera korzystny wpływ na inne jego właściwości (skłonność do pęknięć międzykrystalicmych, skłonność do utleniania i odporność korozyjną). Stop A1Zn5Mg3Cu modyfikowany kompleksowo w/w pierwiastkami wykazuje wy'd.ze właściwości mechanicme nie tylko po odlaniu, ale również po utwardzaniu dyspersyjnym. Ponadto po modyfikacji obserwuje się większy przyrost wskaźników wytrzymałościowych w toku utwardzania dyspersyjnego. Powy1.szy efekt oddziaływania modyfikatorów związany jest zarówno z rozdrobnieniem struktury pierwotnej jak i z oddziaływaniem analizowanych pierwiastków jako umacniających składników roztworu stałego podczas przesycania i starzenia. Literaturd l. Altenpohl D., Aluminiwo und Aluminiumlegienmgen, Berlin Springer Verag, l Aluminiwo (praca zbiorowa), WNT,W-wa,l Eger G., Int..Z. Metallogr., 1913, vol. 4, p.s Górny Z., Odlewnicze stopy metali nieżelamych, WNT, W-wa, Fridlander J.N., Aluminiewyje deformirujemyje konstrukcjonnyje spławy. Izd. Metałłurgia. Moskwa Liang H., Chen S.l., Chang V.A., Metallurgical and Materials Transactions A, vol.28a,n"9, p Postnikow N.S. -Uprocmienije aluminiewych spławowi otliwok. Izd. Metałłurgia, Moskwa Mondolfo L.F., Aluminiwo Alloys Strukture and Properties. Butterworth and Co, London Petzow G., Effenberg G., Ternary Alloys, eds. ASM International, Materials Park, 1993, vol.7, p Praca naukowo-badawcza nr WO AGH, Kraków Rzadkosz S., Sprawozdanie z pracywłasnej nr.10.l WO AGH.Kraków Stroganow G.B.,Wysokoprocmyje litiejnyje alwninievyje spławy. Izd. Metałłurgja,. Moskwa Badania finansowane przez KBN -wn.nr