WPŁ YW MODYFIKACJI l OBRÓBKI CIEPLNEJ NA STRUKTURĘ l WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE STOPU AISi8Cu4Mg (AK84)

Transkrypt

1 So idiication o f Metais and A oys, No Krzepmęcie Metai i Stopów. Nr 28. /996 PAN- Oddz10 Katowice: PL. ISSN WPŁ YW MODYFIKACJI OBRÓBKI CIEPLNEJ NA STRUKTURĘ WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE STOPU AISi8Cu4Mg (AK84) WASILEWSKI Przemysław DUDYK Maksymiian Katedra Technoogii Bezwiórowych Fiii Poitechniki Łódzkiej w Biesku - Białej u. Wiowa BIELSKO-BIAŁA, POLSKA STRESZCZENIE W referacie zamieszczono wyniki badań wpływu modyfikacji antymonem i obróbki ciepnej na struk t urę i właściwości mechaniczne Rm, As siuminu AISi8Cu4Mg (AK84). Na mikrofotografiach przedstawiono struktury stopu przed i po modyfikacji oraz po przesycaniu i starzeniu. Na podstawie programu badań opracowano wykresy przestrzenne i warstwicowe Rm oraz As w zaeżności od temperatury i czasu przesycania. Stwierdzono pozytywny wpływ modyfikacji antymonem na właściwości mechaniczne stopu AISi8Cu4Mg (AK84) po obróbce ciepnej. ABSTRACT Resuts of the infuence of modification with antimany as we as the heat treatment on the structure and mechanica properties Rm, As of the AISi8Cu4Mg (AK84) aoy were paced in this paper. Structures of the aoy before and after modification as we as after saturation and an ageing were presented by the microphotographies. The three-dimensiona diagrams and contour diagrams of the Rm, As in dependence of temperature and saturation time were eaborated on the ground of the research program. The positive infuence of modification with antimany on the mechanica properties of the AIS i8cu4mg (AK84) aoy after the heat treatment was stated. 1. WSTĘP, CEL ZAKRES BADAŃ Wpływ modyfikacji na strukturę i właściwości mechaniczne siuminów jest znany i szeroko omawiany w iteraturze [1, 2, 5, 6], mniej natomiast jest informacji na temat wpływu modyfikacji na strukturę i właściwości mechaniczne po zastosowaniu obróbki ciepnej modyfikowanych stopów. Obróbka ciepna dotyczy przede wszystkim siuminów wieoskładnikowych zawierających dodatek stopowy magnezu, miedzi ub oba te pierwiastki łącznie. Odewy wykonywane z tych stopów poddaje się przesycaniu i starzeniu naturanemu ub sztucznemu. Dość dobrze jest opracowany probem zmian struktury i właściwości mechanicznych po obróbce ciepnej siuminów podeutektycznych modyfikowanych sodem ub strontem. W takich stopach występuje

2 struktura uszachetniona krzemu eutektycznego o bardzo rozgałęzionych jego kryształach [1, 2, 5, 6]. Kryształy te w procesie przesycania uegają fragmentacji i koaescencji, co może prowadzić do ich sferoidyzacji. Taka struktura powoduje wzrost wytrzymałośc i na rozciąganie i wzrost wydłużenia. W znacznie mniejszym stopniu opracowane jest zagadnienie wpływu na strukturę i właściwości mechaniczne siuminów podeutektycznych obrabianych ciepnie, modyfikowanych antymonem. W niniejszym artykue przedstawiono wyniki badań wpływu obróbki ciepnej na strukturę i właściwośc i mechaniczne stopu AK84 modyfikowanego antymonem. Stop topiono w piecu eektrycznym oporowym o pojemności 30 kg. Rafinację przeprowadzano RAFGLINEM 2 w iości 0,4% masy wsadu w temperaturze 760 C. Ciekły przerafinowany stop przetrzymywano przez godzinę i modyfikowano go antymonem w iości 0,4% masy wsadu [3, 6]. Następnie stop zaewano w temperaturze 720±10 C do koki próbek wytrzymałościowych wg PN i udarnościowych. Kokie nagrzewano do temperatury 350±10 C. Przeprowadzono badania właściwości mechanicznych części otrzymanych próbek: Rm, A 5. Pozostałe próbki poddano obróbce ciepnej: przesycaniu i starzeniu naturanemu. Da osiągnięcia optymanych właściwości mechanicznych obrabianych ciepnie próbek w różnych warunkach czasu i temperatury przesycania, wprowadzono program badań uniform-rotatabiny [4] wykorzystując wieomian drugiego stopnia z dwiema niewiadomymi (3]. Postać wieomianu jest następująca : z= b 0 + b,x, + br 2 + b 11 x b 2 r + b 1 r 1 x 2 Przyjęto następujący zakres zmian czynników badanych: x 1 -temperatura przesycania 430.;.51 0 C, x 2 -czas przesycania 1-;.9 godzin, ośrodek chłodzenia -woda o temperaturze 50 C, starzenie naturane- temperatura starzenia ~20 C, czas starzenia naturanego- 4 dni. Obiczenia i rysunki wykresów przestrzennych i warstwicowych wykonano na komputerze. Porównanie właściwości mechanicznych da stopu rafinowanego bez obróbki ciepnej oraz trzech różnych warunków pracy i naturanego starzenia przedstawiono na wykresie słupkowym. Wykonano również zgłady metaograficzne i po trawieniu przedstawiono obrazy mikrostruktur metaograficznych na mikroskopie skaningowym i optycznym. 2. WYNIKI OMÓWIENIE BADAŃ Na rys. 1 przedstawiono mikrostruktury stopu AK84: niemodyfikowanego (a), modyfikowanego strontem w iości 0,05% Sr (da porównania z modyfikacją antymonem) (b) oraz modyfikowanego antymonem w iości 0,4% Sb (c). Widać wyraźnie igastą strukturę krzemu eutektycznego w stopie niemodyfikowanym. Bardzo dobrze zmodyfikowany (uszachetniony) krzem eutektyczny po modyfikacji strontem oraz zmodyfikowany krzem eutektyczny po modyfikacji antymonem w postaci płytkowej.

3 Rys.1. Mikrostruktury stopu AK84: a) stop niemodyfikowany, b) stop modyfikowany dodatkiem 0,05% Sr, c) stop modyfikowany dodatkiem 0,4% Sb. Powiększenie 2000x. Fig. 1. Microstructures of the AK84 aoy: a) the unmodified aoy, b) the aoy modified with 0,05% Sr, c) the aoy modified with 0,4% Sb. Magnif. 2000x. Na rys. 2 przedstawiono mikrostruktury stopu AK84 modyfikowanego antymonem w iości 0,4% Sb po różnych czasach przetrzymania stopu po modyfikacji: a) 1 h, b) 2 h, c) 3 h oraz d) 6 h. Widać, że najepiej zmodyfikowany krzem eutektyczny w postaci płyt kowej występuje po 2 h przetrzymaniu stopu. Da krótszego i dłuższych czasów przetrzymania (1 h, 3 h i 6 h) krzem jest gorzej zmodyfikowany. Po dłuższych czasach efekt modyfikacji stopniowo zanika. Rys. 2. Mikrostruktury stopu AK84 modyfikowanego antymonem po czasie przetrzymania : a) 1 h, b) 2 h, c) 4 h, d) 6 h. Powiększenie 500x. Fig. 2. Microstructures of the AK84 aoy modified with antimony, after the hod time of: a) 1 h, b) 2 h, c) 4 h, d) 6 h. Magnification 500x.

4 Na rys. 3 przedstawiono mikrostruktury stopu AK84 modyfikowanego 0,4% Sb po różnych czasach przesycania, da dwóch różnych temperatur przesycania: a) temperatura przesycania 440 C w czasie 5 h, b) temperatura przesycania 490 C w czasie 3 h oraz c) temperatura przesycania 490 C w czasie 7 h. Widać, że najkorzystniejszą strukturę otrzymano w przypadku b), tj. 490 C w czasie 3 h. Nastąpiła tu fragmentacja krzemu eutektycznego o zaokrągonych kształtach. Rys.3. Mikrostruktury stopu AK84 modyfikowanego antymonem: a) stop przesycany w temperaturze 440 C w czasie 5 h, b) stop przesycany wtemperaturze 490 C w czasie 3 h, c) przesycany w temperaturze 490 C w czasie 7 h. Powiększenie 500x. Fig. 3. Microstructures of the AK84 aoy modified with antimony: a) the aoy saturatetd in temp. 440 C during 5 h, b) the aoy saturated in temp. 490 C during 3 h, c) the aoy saturated in temp. 490 C during 7 h. Magnification 500x. Rys. 4 przedstawia wykresy słupkowe właściwości mechanicznych Rm i A 5 da stopu AK84 rafinowanego i modyfikowanego antymonem w iości 0,4% Sb, bez obróbki ciepnej oraz przesycanego: w temperaturze 470 C przez 5 h, w temperaturze 510 C przez 3 h i 5 h a następnie starzonego naturanie w ciągu 4 dni. Z wykresów słupkowych widać wyraźnie, że temperatura przesycania 470 C jest za niska, natomiast w temperaturze 51 ooc występuje wyraźny wzrost wytrzymałości Rm o około 14720% oraz wzrost wydłużenia A 5 o 50%.

5 Rm 320 MPa a) b) c) d) 1.6 As % Rys. 4. Wpływ temperatury i czasu przesycania na zmiany właściwości mechanicznych Rm i A 5 stopu AK84 modyfikowanego antymonem: a) stop bez obróbki ciepnej, b) stop przesycany w temp. 470 C przez 5 h, c) stop przesycany w temp. 51 ooc przez 3 h, d) stop przesycany w temp. 51 ooc przez 5 h. Po przesycaniu stopy b), c) i d) starzono naturanie w ciągu 4 dni Fig. 4. Infuence of the temperature and saturation time on the changes of the mechanica properties Rm and A 5 of the AK84 aoy modified with antimony: a) the heat untreated aoy, b) the aoy saturated in temp. 470 C during 5 h, c) the aoy saturated in temp. 51 ooc during 3 h, d) the aoy saturated in temp. 51 ooc during 5 h. Aoys b), c) and d) were natura! aged during 4 days after saturation Rys. 5 przedstawia graficzną iustrację przestrzenną i warstwicową funkcji Rm = F(x 1, x~ okreśającą zmiany wytrzymałości Rm stopu AK84 modyfikowanego antymonem w iości 0,4% Sb, w zaeżności od temperatury i czasu przesycania. Z wykresów widać wyraźnie, że największe wartości Rm otrzymuje się da temperatury powyżej 500 C i dłuższych czasów przesycania powyżej 5 h. Na rys. 6 przedstawiono graficzną iustrację przestrzenną i warstwicową funkcji A 5 = F(x 1, x~ okreśającą zmiany wydłużenia AS stopu AK84 modyfikowanego antymonem w iości 0,4% Sb, w zaeżności od temperatury i czasu przesycania. Z wykresów widać, że największą wartość A 5 otrzymuje się podobnie, jak da Rm, da temperatur powyżej 500 C oraz da czasu przesycania 5 h.

6 a) t i 9 h Rrra t1pa :24.1Z b) CZAS h 7 Rm HP.s 4.Q0. TEt1P, o c 51.0 Rys. 5. Graficzna iustracja funkcji Rm = F(x 1, x-) okreśająca zmiany wytrzymałości stopu AK84 modyfikowanego antymonem w zaeżności od temperatury i czasu przesycania: a) wykres przestrzenny, b) wykres warstwicowy Fig. 5. Graphica iustration of the Rm = F(x 1, x-) function quaifying the strength changes of the AK84 aoy modified with antimany in dependence of the temperature and saturation time: a) three-dimensiona diagram, b) contour diagram

7 -216- a) b) TEt-1P ~ c "... ~-"' _... /... / /',..--'" './ / _./... s ~---~ , '.:; ~.., \ / -...,... ' \,/ \,, 5\., \ //...-- \ 4. \,, i \ \. 3 /,, / V / / j 7 i! A o:.- -' ". CZAS r. Rys. 6. Graficzna iustracja funkcji A 5 = F(x 1, x~ okreśająca zmiany wydłużenia stopu AK84 modyfikowanego antymonem w zaeżności od temperatury i czasu przesycania: a) wykres przestrzenny, b) wykres warstwicowy Fig. 6. Graphica iustration of the A 5 = F(x 1, x~ function - quaifying the eongation changes of the AK84 aoy modified with antimany in dependence of the temperature and saturation time: a) three-dimensiona diagram, b) contour diagram

8 WNIOSKI 1. Przeprowadzone badania wykazały, że antymon powoduje korzystne zmiany w strukturze krzemu eutektycznego i można z powodzeniem zastępować trwałą modyfikację odewów kokiowych strontem - antymonem. Naeży wziąć pod uwagę, że iość antymonu potrzebna do zmodyfikowania jest około 1 O razy większa niż strontu. Antymon jest jednak znacznie tańszy. 2. Anaizując struktury po modyfikacji strontem i antymonem, na mikroskopie skaningowym widać wyraźnie różnice w budowie krzemu eutektycznego. Po modyfikacji strontem otrzymuje się strukturę " uszachetnioną' włóknistą, natomiast po modyfikacji antymonem strukturę płytkową o zmniejszonych odegłościach międzyfazowych. 3. Iustracje wyników badań Rm i A 5 wg programów matematycznych, w postaci wykresów przestrzennych i warstwicowych wskazują wyraźnie, jak można dobierać najkorzystniesze parametry obróbki ciepnej. Mogą one być wykorzystane w praktyce przemysłowej. LITERATURA 1. Dudyk M., Ficek B., Suchanek B., Wasiewski P.: Mógichkeiten zu einer dauerhaften Veredeung mit Strontium und Antimon der Gussegierung AISi6Cu2Mg. 55 Internationa Giessereikongress, Moskwa 1988 r., ref Górny Z.: Odewnicze stopy metai nieżeaznych. WNT Warszawa 1992 r. 3. Instytut Technoogiczno-Samochodowy Fiii P. Ł. : Sprawozdanie z pracy badawczej 1988 r. Praca zespołowa, niepubikowana. 4. Poański Z.: Metodyka badań doświadczanych. Wyd. Poitechniki Krakowskiej 1978 r. 5. Poniewierski Z.: Krystaizacja, struktura i właściwości siuminów. WNT Warszawa 1989 r. 6. Wasiewski P. : Siuminy - modyfikacja i jej wpływ na strukturę i właściwości. PAN, Krystaizacja i Krzepnięcie Metai i Stopów, Z. 21, 1993 r.