ANALIZA ODDZIAŁYWANIA MIKRODODATKÓW Cr 2 O 3, Pb 3O 4, NaNO 3, Bi I ZrC NA PARAMETRY KRYSTALIZACJI STOPU AK7

Transkrypt

1 26/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN ANALIZA ODDZIAŁYWANIA MIKRODODATKÓW Cr 2 O 3, Pb 3O 4, NaNO 3, Bi I ZrC NA PARAMETRY KRYSTALIZACJI STOPU AK7 T. LIPIŃSKI 1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Wydział Nauk Technicznych Katedra Technologii Maszyn i Materiałów STRESZCZENIE Stop AK7 obrabiano mieszankami złożonymi z Cr 2 O 3, Pb 3O 4, NaNO 3, Bi i ZrC. Przedstawiono analizę wpływ poszczególnych składników mieszanek reprezentowanych przez wprowadzony wskaźnik oddziaływania W i na wybrane parametry krystalizacji stopu AK7. 1. WPROWADZENIE Z grupy odlewniczych stopów metali nieżelaznych bardzo chętnie stosowane są stopy aluminium z krzemem. Dużą popularnością cieszy się stop o zawartości ok. 7% Si. Niemodyfikowany stop AK7 posiada gruboziarnistą strukturę złożoną z ziaren i iglastych wydzieleń fazy β na tle dendrytycznej fazy α. Taka mikrostruktura jest przyczyną jego niskich właściwości mechanicznych. Polepszenie tych parametrów osiągnąć można m. in. zmieniając budowę strukturalną poprzez oddziaływanie na parametry krystalizacji. Modyfikacja ciekłych metali polega na wprowadzeniu do kąpieli metalowej specjalnych dodatków (modyfikatorów - zmieniaczy), które - oddziaływując znacząco na warunki krystalizacji np. na stopień przechłodzenia - zmieniają przebieg zjawisk krystalizacji i pozwalają na kierowanie nimi [1, 3]. Analizując te wyniki, można szczegółowo obserwować kinetykę krystalizacji poszczególnych faz, oddziaływanie składu chemicznego lub dodatków modyfikujących na krystalizację. Dodatki stopowe i domieszki zmieniają przebieg krzywych, a 1 Dr inż., tomekl@moskit.uwm.edu.pl

2 206 szczególnie położenie punktów charakterystycznych. Prosta analiza termiczna umożliwia określenie całkowitego ciepła krzepnięcia pozwalając, między innymi, ocenić stopień zmodyfikowania. Zróżniczkowana krzywa chłodzenia umożliwia kontrolę rozdrobnienia ziarna [3, 4]. Interesującą metodą obróbki stopów Al-Si jest metoda Inmold. Istotne znaczenie przy obróbce stopu z wykorzystaniem metody Inmold ma stopień przyswojenia wprowadzanych kompozycji [6]. Poszczególne dodatki stopowe wprowadzone do stopu metodą Inmold, mogą ulec rozpuszczeniu w obrabianym stopie (gdy ich temperatura topnienia jest niższa, bądź równa temperaturze zalewanego stopu, a czas odpowiednio długi), wzbogacić jego skład jako cząstki stałe (w przypadku gdy ich temperatura topnienia jest wyższa od temperatury stopu lub czas potrzebny do jego rozpuszczenia zbyt krótki), lub też pośrednio (gdy mieszankę stanowi kompozycja złożona z cząstek o wyższej i niższej temperaturze topnienia od temperatury stopu). Z badań A. Bydałka [2], wynika, że zasadniczym efektem występującym podczas przepływu metalu zawierającego modyfikator przez kanał formy odlewniczej jest efekt mieszania. Występuje tutaj najprawdopodobniej pełna analogia do wszystkich metod intensyfikowania zabiegów modyfikacji przez mieszanie, drgania itp. Obserwacje struktury odlewniczej warstwy krzepnącej na ściankach kanałów pozwalają twierdzić, że czynnikiem decydującym jest równomierne rozłożenie modyfikatora, a dopiero wtórnym sposób jego oddziaływania. Badania te wskazują również, że dopiero w stanie statycznym, podczas krótkiego okresu krzepnięcia pozostałej fazy ciekłej, uwidacznia się oddziaływanie modyfikatorów. 2. WARUNKI PRZEBIEGU REAKCJI EGZOTERMICZNYCH Pierwiastki uszlachetniające, zarówno wprowadzane jak też powstałe w wyniku reakcji egzotermicznych, przechodzą do stopu, wpływając na zmianę przebiegu jego krystalizacji, mikrostruktury, a co za tym idzie i właściwości. Tlenek chromowy z glinem daje produkty zgodnie z reakcją (1): Cr O + 2Al Cr + Al O (1) = 273 kj/mol Al Jednakże zajście reakcji (1) wymaga wprowadzenia reduktora (Al). Ciekły silumin w początkowej fazie kontaktu z mieszanką dostarcza tylko ciepło niezbęedne do zainicjowania reakcji. Podobna sytuacja jest przy reakcji (2 6), dla których reduktorem jest Al bądź Mg. W przypadku zastosowania magnezu jako reduktora otrzymujemy (2): Cr2 O3 + 3Mg 2Cr + 3MgO (2) = 226,3 kj/mol Mg Zgodnie z literaturą [5] warunkiem energetycznym samorzutnego przebiegu reakcji (1) i (2) jest przyjęcie przyrostu entalpii o minimum -300 kj/mol reduktora. Zatem reakcje (1) i (2) nie mogą przebiegać samorzutnie, gdyż ich efekty cieplne są

3 207 mniejsze od wymaganego minimum. Aby uzupełnić niedostatek ciepła, można dodawać inne mieszaniny, które podwyższają efekt cieplny. Jednymi z takich składników jest azotan sodu reagujący z glinem (3) 6NaNO 3 +10Al 5Al 2 O 3 +3Na 2 O+6N (3) = 623 kj/mol Al Mieszanka ta pokrywa straty ciepła związane z podgrzaniem mieszaniny i częściowym stopieniem niektórych składników. Mieszaninę egzotermiczną można tak skomponować, aby produkt reakcji był także pożądanym składnikiem w otrzymanym w wyniku obróbki stopie. Przykładem takim może być azotan sodu w reakcji z Mg (4) 2NaNO 3 +5Mg 5MgO+Na 2 O+2N (4) H = 461,2 kj/mol Mg Również korzystny wpływ można osiągnąć poprzez dodanie Pb 3 O 4 (5, 6) 3Pb 3O4 + 8Al 9Pb + 4Al2O3 (5) = 569,3 kj/mol Al Pb3 O4 + Mg 3Pb + 4MgO (6) = 423,8 kj/mol Mg Skuteczność przebiegu reakcji (5) i (6) w warunkach obróbki kadziowej stopu AK7 sprawdzono eksperymentalnie. Polepszenie właściwości użytkowych stopu można uzyskać wprowadzając do siluminu związki zawierające pierwiastki, które po wyredukowaniu będą oddziaływały na przebieg procesu krystalizacji jak też spowodują umocnienie roztworu α. 3. METODYKA, WYNIKI I ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Badania przeprowadzono na stopie AK7 w oparciu o plan czynnikowy dla 5 zmiennych X1-X5 w obecności dodatków Al i Mg (tab. 1). Mieszanki sporządzono z proszków o czystości min. 99% w odpowiednio dobranych proporcjach. Po specjalnym przygotowaniu umieszczano je w komorze reakcyjnej usytuowanej bezpośrednio pod wlewem głównym. Formowanie przeprowadzono ręcznie z użyciem masy klasycznej. Formę zalewano na wilgotno 1000g stopu AK7 o temperaturze 850 o C. Ciekły metal doprowadzony do komory reakcyjnej zapoczątkowywał redukcję pierwiastków z umieszczonych w niej składników. Pierwiastki przechodząc do stopu powodowały jego "ulepszenie". Z komory metal przepływał do wnęk odlewniczych, gdzie rejestrowano parametry krystalizacji. Wyniki badań opracowywano matematycznie otrzymując dla analizowanych parametrów odpowiedzi w postaci równania (7) na poziomie istotności α=0,05:

4 208 Tabela 1. Zawartości składników chemicznych użytych do obróbki stopu AK7 Table 1. Content of chemical compounds used for treatment AK7 alloy Oznaczenie Marking Składnik Compounds Zawartość minimalna Zawartość maksymalna Maximal content Minimal content X1 Cr 2 O 3 0 1,8 X2 Pb 3 O 4 0 1,2 X3 NaNO 3 0,3 1,5 X4 Bi 0 0,6 X5 ZrC 0 1,8 k k Y = b o + b i x i + b ij x i x j i= 1 1 i< j (7) Oceniając intensywność oddziaływania poszczególnych składników założono, że wpływ każdego z komponentów (x i, x j - równ.7) w badanych przedziałach jego zmian jest proporcjonalny do współczynnika przy nim stojącego. W celu uproszczenia oceny wprowadzono wskaźnik zastępczy oddziaływania (W i ) obliczany wg równania (8): X W = zi i (8) X zi 2 gdzie X zi (9): k X zi = i, j = 1 x b i o x i x j bo 100 (9) Oddziaływanie poszczególnych składników mieszanek na zakres krystalizacji fazy α oszacowane wskaźnikiem W i (8) przedstawiono na rys. 1. Wpływu na analizowany parametr nie stwierdzono NaNO 3 i ZrC. Największe oddziaływanie na DL stwierdzono dla Cr 2 O 3, dla którego W1=87. Oddziaływanie poszczególnych składników mieszanek na zakres krystalizacji eutektyki oszacowane wskaźnikiem W i (8) przedstawiono na rys. 2. Wpływu na analizowany parametr nie stwierdzono Bi. Największe oddziaływanie na DE stwierdzono dla Cr 2 O 3, dla którego W1=65, nieco mniejsze dla NaNO 3, dla którego W3=60. Oddziaływanie poszczególnych składników mieszanek na zakres krystalizacji likwidus-solidus oszacowane wskaźnikiem W i (8) przedstawiono na rys. 3. Największe oddziaływanie na zakres przejścia stopu z fazy ciekłej w fazę stałą stwierdzono dla ZrC. Nieco mniejsze dla NaNO 3 i Cr 2 O 3, dla którego odpowiednio W3=49 W1=48. Najmniejsze oddziaływanie wykazał Pb 3 O 4, dla którego W2=19.

5 209 DL W1 W2 W3 W4 W5 Wskaźnik, index Rys. 1. Oddziaływanie poszczególnych składników mieszanek na zakres krystalizacji fazy α (DL) Fig. 1. Interaction of constituent of mixture on crystallization range of α-phase (DL) DE W1 W2 W3 W4 W5 Wskaźnik, index Rys. 2. Oddziaływanie poszczególnych składników mieszanek na zakres krystalizacji eutektyki (DE) Fig. 2. Interaction of constituent of mixture on crystallization range of eutectic mixture (DE) 4. PODSUMOWANIE Analizując za pomocą wskaźnika (8) oddziaływanie zastosowanych składników mieszanek na wybrane parametry krystalizacji stwierdzono, że największe zmiany wywołał Cr 2 O 3, zaś nieco mniejsze NaNO 3. Oddziaływanie pozostałych składników mieszanek jest zdecydowanie niższe.

6 210 DLE W1 W2 W3 W4 W5 Wskaźnik, index LITERATURA Rys. 3. Oddziaływanie poszczególnych składników mieszanek na zakres krystalizacji likwidus-solidus (DLE) Fig. 3. Interaction of constituent of mixture on crystallization range of liquidus-solidus (DLE) [1] G. F. Bałandin: Formirowanie kristalliczeskovo strojenija otliwok. Kristallizacja w litejnoj formje. Izd. Maszinostrojenije Moskwa (1973) [2] Bydałek: Oddziaływanie modyfikatorów w trakcie wypełniania form odlewniczych. Krzepnięcie metali i stopów. Katowice (1994) [3] Z. Górny. Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT Warszawa (1992) [4] S. Jura: Modelowe badanie procesów modyfikacji metali. Praca habilitacyjna. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Mechanika nr 32, Gliwice (1968) [5] N. P. Ljakisjew, Ju.L. Klinier. G.S. Ignatjenko, S.I. Latto: Aluminotjermia. Metallurgia. Moskwa (1978) [6] G. W. Tkaczenko i inni: Wybór modyfikatora dla połuczenia otlivok iz modificirovaniem w formie. Litejnoje Proizvodstvo 2, (1982) ANALYSIS OF THE EFFECT MICROADDITIONS OF Cr 2 O 3, Pb 3O 4, NaNO 3, Bi AND ZrC ON CRYSTALLIZATION PARAMETERS OF AK7 ALLOY SUMMARY Alloy AlSi7Mg was treated with mixtures consisting of Cr 2 O 3, Pb 3O 4, NaNO 3, Bi and ZrC. The paper presents an analysis of the effect of individual mixture components, represented by the index of impact W i, on the crystallization parameters of AK7 alloy. Reviewed by prof. Mieczysław Kaczorowski