33/15 Solidiiikation of Metlłls and Alloys, No. 33, 1997 Krzejlnięcic Metali i Stopów, Nr JJ, 1997

Transkrypt

1 33/15 Solidiiikation of Metlłls and Alloys, No. 33, 1997 Krzejlnięcic Metali i Stopów, Nr JJ, 1997 ł'an - OddziHI h:htowice PL ISSN !J6 WPL YW MODYFIKACJI NA JAKOŚĆ PODEUTEKTYCZNYCH STOPÓW AJ-Si ROMANKIEWICZ Ferdynand Politechnika Zielonogórska ul. Podgórna 50, Zielona Góra Streszczeni e Badania nad modyfikacją podeutektycznych stopów A1Si7Mg i A1Si9Mg wykazały, że dodatki AlB4 i Al Sri O oraz AlSrl OT i l B0,2 spowodowały korzystne zmiany struktwy obu siluminów. W efekcie zmiany struktwy nastąpiło istotne podwyższenie właściwości mechanicznych badanych stopów. l. Wprowadzenie Struktura stopów Al-Si składa się głównie z dwu podstawowych faz, to jest z plastycznej osnowy utworzonej z roztworu stałego a na bazie Al oraz z twardych i kruchych kryształów krzemu. Właściwości mechaniczne tych stopów są determinowane przez stan ich struktury. Decydujący wpływ na nie wywierają : ukształtowanie, wielkość i rozmieszczenie składników struktury [l]. W eutektycznych stopach Al-Si występują ziarna eutektyczne z udziałem faz krystalicznych w postaci płytek, płatków, pasemek lub włókien, które mogą być ze sobą sprzężone lub też nie sprzężone [2]. W stopach podeutektycznych oraz nadeutektycznych istotnego znaczenia nabiera udział, wielkość i rozmieszczenie faz pierwotnych, jak również budowa i rozmieszczenie eutektyki. W stopach eutektycznych i okołoeutektycznych na ogół nie

2 112 występuje drobnokrystaliczna eutektyka lecz gruboziarniste poliedryczne layształy pierwotnego krzemu i zbliźniaczone płytki krzemu eutektycznego. Również w stopach podeutektycznych wskutek anomalnej laystalizacji występuje rozetkowa budowa eutektycznego krzemu [1]. Wymienione cechy struktury stopów Al-Si wywierają ujemny wpływ na ich właściwości mechaniczne. Z tego względu, zarówno przy odlewaniu do form piaskowych jak również do kokil, zachodzi konieczność rozdrobnienia faz pierwotnych oraz uszlachetniania eutektyki poprzez zabiegi modyfikacji. Modyfikację stopów Al-Si dzieli się na trzy procesy, które obejmują: rozdrobnienie stałego roztworu a(al), uszlachetnienie eutektyki oraz rozdrobnienie kryształów pierwotnego krzemu I3(Si). W wypadku podeutektycznych stopów Al-Si ważne znaczenie mają dwa pierwsze procesy. Jako modyfikatory stałego roztworu a.(al) można stosować tytan i bor w postaci dwuskładnikowych stopów wstępnych Al Ti lub Al-B, jak również w postaci złożonych stopów AJ-Ti-B, np. A1Ti5Bl lub AITi5B0,2. Pierwiastki te, zależnie od rodzaju wstępnego stopu, są składnikarni wprowadzanych do modyfikowanego stopu lub tworzących się w nich tzw. "krystalizatorów", czyli ośrodków heterogenicznej laystalizacji stałego roztworu a(al). Możliwe mechanizmy takiej modyfikacji przedstawiono szczegółowo w publikacji [3]. W badaniach K.Muller [4] stwierdzono, że lepszy efekt modyfikacji stopów AJ-Si, zawierających powyżej 6% krzemu, zapewnia dodatek wstępnego stopu A1B4. Zmianę morfologii eutektycznego krzemu, zwaną również uszlachetnieniem eutektyki, można spowodować w podeutektycznych i eutektycznych stopach AI-Si poprzez wprowadzenie do ciekłego stopu dodatków sodu, strontu [5, 6] lub też antymonu [7]. Modyfikujący wpływ sodu i strontu polega na zmianie morfologii eutektycznego krzemu J3(Si) z płytkowej na włóknistą o dużym stopniu rozgałęzienia. Dodatek antymonu natomiast powoduje zmianę morfologii eutektycznego krzemu na paserokową (7]. Spośród wymienionych trzech pierwiastków modyfikujących najszersze zastosowanie znajduje obecnie stront, który powoduje tzw. trwałą modyfikację stopów AJ-Si.

3 Opis badań 2.1. Topienie i modyfikacja Do badania wpływu modyfikacji na jakość podeutektycznych stopów Al-Si użyto handlowych stopów A1Si7Mg (AK7) i A1Si9Mg (AK9) w postaci gąsek hutniczych o składzie chemicznym wg PN-76/H Topienie stopów przeprowadzano w piecu indukcyjnym IMSL-10 przy użyciu grafitowo-szamotowych tygli. Jako pokrycie ochronne stosowano mieszaninę o zawartości 80% KCI i 20% NaF. Zabiegi modyfikacji przeprowadzono przy przegrzaniu kąpieli metalowej do temperatury 1003K (730 C). Dodatki modyfikujące wprowadzono w postaci wstępnych stopów AlSrl O, AlB4 i AlSrl OT i IB0,2. W celu oceny efektów modyfikacji badanych stopów odlewano w metalowej kokili walcowe próbki o średnicy 35 mm i wysokości 60 mm przeznaczone do badania zmian struktury w wyniku modyfikacji. Do badań właściwości mechanicznych siluminów odlewano w metalowej kokili standardowe próbki wg PN-65!H Wszystkie próbki odlewano po upływie 10 minut po zabiegu modyfikacji Badania właściwości mechanicznych Właściwości meehaniczne badanych siluminów określano w statycznej próbie rozciągania przy użyciu próbek pięciokrotnych wg PN-91/H Pomiarów twardości dokonywano przy użyciu twardościomierza Brinella zgodnie z PN-9lfH Wyniki pomiarów zamieszczono w tablicy l. Zabieg modyfikacji stopu AK7 dodatkami 0,2% AIB4 (80 ppm B) i 0,2% AISriO (200 ppm Sr) spowodował wzrost Rw z 191 MPa do 229 MPa (wzrost o 20%) i As z 2,8% do 3,4% przy równoczesnym podwyższeniu HB z 59 dan/mm 2 do 78 dan/mm 2 Modyfikacja tego stopu z dodatkiem 0,2% AISr10TilB0,2 (200 ppm Sr, 20 ppm Ti i 4 ppm B) spowodowała wzrost Rw z 191 MPa do 221 MPa (wzrost o 16%) i As z 2,8% do 3,8% przy podwyższeniu HB z 59 dan/mm 2 do 79 dan/mm 2 Zabieg modyfikacji stopu AK9 dodatkami 0,2% AIB4 i 0,2% AISriO spowo dował wzrost Rm z 193 MPa do 234 MPa (wzrost o 21%) i A 5 z 2,5% do 3,4% przy równo-

4 114 czesnym podwyższeniu HB z 68 dan/mm 2 do 80 dan/mm 2 Dodatek 0,2% AlSrl OT i l B0,2 spowodował natomiast wzrost Rw z 193 MPa do 216 MPa (wzrost o 12%) i As z 2,5% do 3,8% przy wzroście HB z 68 dan/mm 2 do 77 dan/mm 2. Właściwości mechaniczne stopów AlSi7Mg i A1Si9Mg Tablica l Właściwości mechaniczne L. p. Stop Stan stopu Rm As HB MJ)a % dan/mm Bez modyfikacji 191 2, A1Si7Mg Po modyfikacji (AlG) 0,2% AlB4 + 0,2% Al Sri O 229 3, Po modyfikacji 0,2% AlSrl0TilB0, , Bez modyfikacji 193 2, AlSi9Mg Po modyfikacji (AK9) 0,2% AlB4 + 0,2% AlSrl O 234 3, Po modyfikacji 0,2% AlSrlOTilB0, , Badania struktury Wpływ modyfikacji na zmianę struktury stopu AK7 ilustrują rysunki 1-3. Silumin w stanie niemodyfikowanym (rys. l) wykazuje rozwiniętą dendrytyczną budowę fazy a (rys. la), o czym ś wiadczą wyraźnie zorientowane przekroje ramion dendrytów Stop ten cechuje się również dużymi wydłużonymi kiyształami eutektycznego hzemu (rys. l b). Zabieg modyfikacji silwninu AK7 dodatkami 0,2% AlB4 i 0,2% AlSrl O spowodował rozdrobnienie fazy a (rys. 2a) oraz korzystną zmianę morfologii eutektycznego krzemu (rys. 2b), który pod wpływem uszlachetniaj ącego oddziaływania strontu zmienił postać na włóknistą. Dodatek 0,2% Al Sri OT i 180,2 (rys. 3) spowodował również modyfikację siluminu AK7, jednak efekt modyfikacji nie jest tak dobry jak przy dodatku AlB4 i AlSrlO. Św1adczą o tym obserwowane w strukturze siluminu większe dendryty fazy a (rys. 3a) oraz bardziej gmboklystaliczne wydzielenia eutektycznego hzemu (rys. 3b ).

5 115 Rys. l. Mikrostruktura stopu A1Si7Mg w stanie niemodyfikowanym: a) pow. loox, b) pow. 500x Rys. 2. Mikrostruktura stopu A1Si7Mg po modyfikacji dodatkami 0,2 % AlB4 i 0,2% AlSrlO: a) pow. loox, b) pow. 500x Rys. 3. Mikrostruktura stopu A1Si7Mg po modyfikacji dodatkiem 0,2% AlSrl0TilB0,2: a) pow. loox, b) pow, 500x

6 116 Rys. 4. Mikrostruktura stopu AlSi9Mg w stanie niemodyftkowanym: a) pow. IOOx, b) pow. 500x Rys. 5. Mikrostruktura stopu A1Si9Mg po modyfikacji dodatkami 0,2 % A!B4 i 0,2% ALSrlO: a) pow. IOOx, b) pow. 500x Rys. 6. Mikrostruktura stopu A1Si9Mg po modyfikacji dodatkiem 0,2% AlSr10TilB0,2: a) pow. loox, b) pow, 500x

7 117 Wpływ modyfikacji na zmianę struktury siluminu AK9 ilustrują 1ysunki 4-6. Próbka stopu w stanie niemodyfikowanym wykazuje rozwinięte dendryty (rys. 4a) oraz drobnopłytkowe kryształy eutektycznego krzemu (rys. 4b). Zabieg modyfikacji siluminu AK9 dodatkami 0,2% A1B4 i 0,2% AJSrl O spowodował rozdrobnienie dendrytów fazy a (rys. Sa) oraz wyraźną korzystną zmianę morfologii eutektycznego krzemu (rys. Sb). Dodatek 0,2% AlSr10TilB0,2 spowodował nieco słabszy lecz zadawalający efekt modyfikacji siluminu, zarówno pod względem rozdrobnienia fazy a (rys. 6a), jak też pod względem uszlachetnienia eutektyki w badanym stopie (rys. 6b). 3. Wnioski Badania na przykładzie podeutektycznych siluminów A1Si7Mg (AK7) i A1Si9Mg (AK9) wykazały, że zabiegi modyfikacji powodują korzystną zmianę struktury i właściwości mechanicznych siluminów zapewniając istotną poprawę jakości tych stopów. W wypadku obydwu badanych siluminów korzystniejszy efekt modyfikacji zapewniły dodatki 0,2% AlB4 i 0,2% AiSriO powodując dla AK7 wzrost Rm z 191 MPa do 229 MPa i A 5 z 2,8% do 3,4% oraz dla AK9 wzrost Rw z 193 MPa do 234 MPa i A 5 z 2,5% do 3,4%. Równocześnie nastąpił wzrost twardości (HB) AK7 z 59 dan/nun 2 do 78 dan/mm 2 i AK9 z 68 dan/mm 2 do 80 dan/mm 2. Literatura [1] Poniewierski Z.: Krystalizacja, struktura i właściwości siluminów, WNT, Warszawa 1989, [2] Chen X. G., Engler S.: Z. Metallkunde, I (1991), str. 11, [3) Romankiewicz F.: II Konferencja "Zjawiska powierzchniowe w procesach odlewniczych", Poznań-Kołobrzeg 1994, str. 93, [4) Miiller K.: Doktor-Ingenieur Dissertation, TU Berlin 1995, [5] Kremer M.: Doktor-lngenieur Dissertation, TU Berlin 1995, [6] Juchheim F., Kremer M., ReifW.: 17 MSSN SiMPN, Mechanika, Zielona Góra 1995,

8 118 [7] Wasilewski P. : Siluminy- modyfikacja i jej wpływ na strukturę i właściwości. Monografia nr 21, Krzepni ęci e metali i stopów, Komisja Odlewnictwa PAN, Katowice 1995.