KSZTAŁTOWANIE STRUKTURY NA PRZEKROJU ODLEWU Z SILNIE NADEUTEKTYCZNEGO STOPU Al-Si (Al-30%Si)

Transkrypt

1 95/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN KSZTAŁTOWANIE STRUKTURY NA PRZEKROJU ODLEWU Z SILNIE NADEUTEKTYCZNEGO STOPU Al-Si (Al-30%Si) A. W. ORŁOWICZ 1, M. MRÓZ 2 Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska ul. W. Pola 2, Rzeszów STRESZCZENIE Praca dotyczy doboru składu chemicznego i kształtowania mikrostruktury, a w szczególności wielkości wydzieleń pierwotnych krzemu w siluminie nadeutektycznym, celem poprawy odporności na zużycie ścierne. Zastosowano stop Al-30%Si zawierający dodatki stopowe (Ni, V, Cr). Poprzez zmianę szybkości chłodzenia uzyskano wydzielenia krzemu o maksymalnej długości od 25 µm do 71,4 µm. Uszlachetnianie powierzchniowe odlewu plazmą łuku elektrycznego pozwoliło uzyskać wielkość wydzieleń krzemu pierwotnego o maksymalnej długości 10 µm. Key words: hypereutectic Al-Si alloy, rapid solidification, silicon particles 1. WPROWADZENIE Producenci samochodów poszukują rozwiązań konstrukcyjnych, które umożliwiają obniżenie ciężaru silników poprzez zastosowanie stopów aluminium. Przyczyną szybkiego wzrostu zastosowania stopów aluminium z krzemem w przemyśle motoryzacyjnym jest ich wysoka wartość ilorazu wytrzymałości na rozciąganie i masy właściwej, dobra odporność na korozję, dobra przewodność cieplna, dobre właściwości technologiczne oraz niski koszt wytwarzania i przetwarzania. Stopu Al-Si są stosowane na bloki i głowice, tłoki, wsporniki, a w najnowocześniejszych konstrukcjach silników na tuleje cylindrowe. Zastosowanie stopów aluminium, szczególnie na elementy, od których wymaga się podwyższonej odporności na zużycie ścierne jest przedmiotem ciągłych prac naukowych. Dotyczą one kształtowania mikrostruktury, doboru 1 prof. dr hab. inż., aworlow@prz.edu.pl 2 dr inż., mfmroz@prz.edu.pl

2 parametrów profilu powierzchni trącej oraz ustalenia warunków pracy dla zapewniania wysokiej odporności na zużycie ścierne i niskiej podatności do zacierania. Wiadomo, że wraz ze wzrostem zawartości krzemu w stopach Al-Si podnosi się ich twardość i odporność na zużycie ścierne. Z uwagi na to komponenty odlewane, od których wymagana jest zadawalająca odporność na zużycie ścierne wykonuje się ze stopów o składzie nadeutektycznym. W stopach tych o odporności na zużycie ścierne decyduje rozłożenie i wielkość wydzieleń krzemu i innych twardych wydzieleń, takich jak fazy międzymetaliczne, zawierające żelazo, czy też celowo wprowadzone cząstki Al 2 O 3 lub SiO 2. Zazwyczaj za wskaźnik kontroli odporności na zużycie ścierne materiału przyjmuje się jego twardość, zakładając, że im wyższa jest twardość tym wyższa jest odporność na zużycie ścierne. Jest to pewne uproszczenie, ponieważ o szybkości zużycia ściernego decyduje twardość materiału na wierzchołkach nierówności, a nie jego makrotwardość. Z punktu widzenia odporności na zużycie ścierne należy tak kształtować mikrostrukturę materiałów, aby zminimalizować w parze trącej powierzchnię kontaktu twardych i miękkich składników struktury [1]. W przeciwnym wypadku twarde składniki w jednym elemencie pary trącej będą intensywnie niszczyć obszary zawierające miękkie składniki struktury w drugim elemencie pary trącej. Dla przeciwdziałania temu zjawisku należy tak dopracować technologię wytwarzania odlewu, aby uzyskać rozdrobnienie i równomierne rozłożenie twardych składników strukturalnych w materiale elementów pary trącej. Zagadnieniu temu poświęcono wiele prac, a mimo to problem nie został w pełni rozwiązany. Przy opracowaniu technologii wytwarzania odlewów z nadeutektycznego stopu Al-Si celem rozdrobnienia mikrostruktury, stosuje się modyfikację ciekłego stopu oraz szybkie chłodzenie, celem uzyskania dużego przechłodzenia podczas krzepnięcia. Modyfikację siluminu nadeutektycznego prowadzi się najczęściej zaprawą miedźfosfor. Ilość wprowadzonego fosforu powinna zawierać się w przedziale 0,05-0,2% [2-4]. Efekt modyfikacji można spotęgować poprzez chlorowanie stopu. Według [2] zabieg ten uaktywnia działanie zarodków AlP. Według [2,3] dodatek tytanu (0,2% Ti) i boru (0,2%B) wpływa korzystnie na rozdrobnienie pierwotnych wydzieleń krzemu. Tytan i bor oddziaływują ponadto korzystnie w kierunku tworzenia drobnoziarnistej struktury osnowy. Skuteczny efekt rozdrobnienia krzemu pierwotnego uzyskać można jedynie w przypadku stopu, w których wydzielania krzemu uległy całkowitemu rozpuszczeniu w cieczy. W tym celu zaleca się przegrzanie stopu o 80 0 C powyżej temperatury likwidus [4]. W pracy [3] zleca się przegrzanie stopu do temperatury C i wytrzymaniu go w tej temperaturze w czasie od 1 do 2 godzin. W celu uzyskania drobnych wydzieleń faz utwardzających stosuje się techniki metalurgii proszkowej [5,6]. Coraz częściej stosowane są również kompozyty hybrydowe Al-Si/Al 2 O 3, Al- Si/SiC [7]. Interesujące może być również zastosowanie techniki natryskowej [8,9] oraz techniki uszlachetniania powierzchniowego odlewów skoncentrowanym strumieniem ciepła [10,11]. Przy zastosowaniu tych dwóch ostatnich technik strukturę materiału kształtuje się w warunkach szybkiej krystalizacji, co skutkuje silnym rozdrobnieniem 304

3 mikro-struktury warstwy wierzchniej odlewu. Dla podwyższenia odporności na zużycie ścierne siluminów nadeutektycznych duże znaczenia ma umocnienie roztworu stałego α, co powoduje zmniejszenie tendencji do wyrywania cząstek twardych faz z osnowy [2]. Prace polskich naukowców [12-13] wykazały, że zastosowanie dodatków pierwiastków wysokotopliwych znacznie podwyższa właściwości użytkowe siluminów nadeutektycznych. Potwierdzają to również wyniki pracy [4] dotyczącej nowego stopu nadeutektycznego Al-Si o podwyższonej odporności na zużycie ścierne. Prace dotyczące odporności na zużycie ścierne i podatności na zacieranie nadeutektycznego stopu Al-Si, który miałby być zastosowany na tuleje silników spalinowych muszą być poprzedzone uzyskaniem zróżnicowanej mikrostruktury, z uwagi na wielkość, kształt i rozłożenie twardych wydzieleń, w szczególności wydzieleń krzemu. Pozwoli to w kolejnym etapie badań na uzyskanie, z zastosowaniem specjalnej techniki, struktury geometrycznej profilu gładzi cylindra silnika, gwarantującej dobre rozłożenie środka smarnego. 2. METODYKA BADAŃ Cel i zakres badań Celem niniejszej pracy było opracowanie odlewów z silnie nadeutektycznego stopu (Al-30%Si) o zróżnicowanej morfologii wydzieleń krzemu pierwotnego. Chcąc osiągnąć postawiony cel należało uwzględnić następujące zagadnienia: dobór składu chemicznego, dobór formy odlewniczej zapewniającej warunki chłodzenia, gwarantujące uzyskanie zróżnicowanej mikrostruktury odlewu, uszlachetnianie warstwy wierzchniej odlewu skoncentrowanym strumieniem ciepła dla uzyskania super drobnych wydzieleń krzemu pierwotnego, ocenę maksymalnej długości wydzieleń krzemu pierwotnego. Materiał do badań W oparciu o dane literaturowe [4,12,13-18] i badania własne zdecydowano, że stop do badań będzie miał następujący skład chemiczny: 30-32%Si, 0,5-0,6%Fe, 1,4-1,6%Cu, 0,4-0,6%Mn, 1,2-1,4%Mg, 1,1-1,3Ni, 0,3-0,5%V, 0,4-0,6Cr, <0,1%Zn, 0,1%Ti, 0,1%B, 0,05%P, <0,01%Sn, reszta Al. Stop przygotowano na bazie aluminium hutniczego oraz czystych metali i stopów wstępnych dla wprowadzenia manganu, niklu i wanadu, chromu oraz tytanu i boru. Stop wykonano z wykorzystaniem pieca indukcyjnego o pojemności 50kg. Temperatura wygrzewania ciekłego metalu wynosiła 900 o C. Stop modyfikowano zaprawą miedźfosfor, a następnie zaprawą Ti-B. Odlewy płyt o wymiarach 30x80 mm u podstawy i wysokości 300 mm uzyskano z formy metalowej (rys.1) podgrzanej do temperatury 300 o C. Podstawę odlewu odtwarzano ochładzalnikiem stalowym chłodzonym wodą przepływającą kanałem chłodzącym. Ochładzalnik zastosowano w celu zróżnicowania mikrostruktury na wysokości odlewu. Metal zalewano do formy od góry. 305

4 a) b) Rys.1. a) Forma metalowa do wytwarzania odlewów płyt o zróżnicowanej mikrostrukturze- a) Schemat pobierania próbek -b). Fig. 1. a) Metal mold for making plate castings of differentiated microstructure; b) Sampling diagram. Z odlewów wycięto plastry o grubości 10 mm (rys.1). Ze środkowej części plastrów wykonano próbki do badań metalograficznych, tak aby umożliwić ocenę mikrostruktury w odległości 10, 20, 30, 60 i 90 mm od ochładzalnika. Wycinanie próbek wykonano z zastosowanie przecinarki metalograficznej Labotom 3, firmy Struers, tarczą Supra TRD 15. W trakcie cięcia tarcze i próbki były intensywnie chłodzone wodą. Jeden odlew płyty poddano uszlachetnianiu powierzchniowemu techniką szybkiej krystalizacji. Nadtopienia warstwy wierzchniej wykonano metodą GTAW z wykorzystaniem urządzenia Faltig 315AC/DC. Stosowano elektrodę wolframową o średnicy 4 mm, umocnioną tlenkiem toru WTh2. Nadtopienia wykonano z zastosowaniem prądu przemiennego w atmosferze helu. Przepływ helu ustawiono na poziomie 20 l/min. Stosowano natężenie prądu I = 300A, prędkość skanowania łukiem elektrycznym v s = 800 mm/min. Z odlewu płyty uszlachetnionej powierzchniowo szybką krystalizacją wycięto próbki do badań metalograficznych. Cięcia wykonano w płaszczyźnie prostopadłej do osi wzdłużnej nadtopień, dbając przy tym o to, aby tarcza i próbka były intensywnie chłodzone wodą. 3. WYNIKI BADAŃ Badania metalograficzne Próbki po wypolerowaniu i wytrawieniu poddano obserwacji z zastosowaniem mikroskopu Neophot 2. Mikrostrukturę odlewu płyty w obszarach odległych od ochładzalnika o 10, 20, 30, 60 i 90 mm przedstawiono na rysunku 2 a-e. Mikrostrukturę warstwy wierzchniej odlewu uszlachetnionego plazmą łuku elektrycznego przedstawiono na rysunku 2 f

5 a) b) c) d) e) f) Rys.2. Mikrostruktura odlewu płyty w obszarach odległych od ochładzalnika o a) 10 mm, b) 20 mm, c) 30 mm, d) 60 mm, e) 90 mm. Mikrostruktura warstwy wierzchniej odlewu płyty uszlachetnionej plazmą łuku elektrycznego (I = 300A, vs = 800 mm/min, hel) f). Fig. 2. Microstructure of plate casting in areas distant from chiller by: a) 10 mm, b) 20 mm, c) 30 mm, d) 60 mm, e) 90 mm. Microstructure of surface layer of plate casting refined with electric arc plasma (I = 300 A, vs = 800 mm/min, helium) f). 307

6 Ocena wartości parametru strukturalnego L max Si Ocena parametru strukturalnego L max Si maksymalna długość wydzieleń krzemu wykonano z zastosowaniem mikroskopu optycznego Neophot 2 wyposażonego w zaawansowany system analizy obrazu MultiScan v.08. Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 1. Wyniki te są średnią z 20 pomiarów dla każdego analizowanego obszaru. Szereg autorów przy analizie wydzieleń krzemu uwzględnia również wydzielenia faz międzymetalicznych, przyjmując, że oddziaływują one na właściwości użytkowe odlewów ze stopów Al-Si podobnie jak wydzielenia krzemu. W wykonanej analizie nie uwzględniono wydzieleń faz międzymetalicznych, które były zwykle mniejsze niż wydzielenia krzemu. Tabela 1. Wartości parametru strukturalnego L max Si - maksymalna długość wydzieleń krzemu. Table 1. Value of structural parameter L max Si - maximum length of silicon precipitate. Odległość od ochładzalnika, mm L max Si, µm 25,0 35,7 50,0 57,1 71,4 L max Si w obszarze uszlachetnionym plazmą łuku elektrycznego (I = 300A, v s = 800 mm/min, hel) 10 µm Analiza wyników badań W przypadku odlewów tulei cylindrycznych najważniejszą obróbką z punktu widzenia trwałości cylindra jest obróbka gładzi. Otwór cylindra jest obrabiany poprzez honowanie. W procesie honowania dąży się do uzyskania odpowiedniej powierzchni nośnej cylindra. Z uwagi na zabezpieczenie wydzieleń krzemu przed ich wyrywaniem z osnowy w trakcie obróbki mechanicznej powinny one być odpowiednio małe. W trakcie honowania powierzchnia kryształów krzemu ulega wygładzeniu, stanowiąc część powierzchni gładzi. Kryształy krzemu są następnie eksponowane przez usunięcie specjalną techniką cienkiej warstwy osnowy. W ten sposób utworzone zostają zagłębienia pomiędzy kryształami krzemu, które stanowią zbiorniki oleju. Wyniki badań dotyczące wpływu wielkości wydzieleń pierwotnych krzemu na zużycie ścierne wskazują, że w miarę zmniejszania wielkości wydzieleń krzemu odporność stopu na zużycie ścierne rośnie. Dostępne wyniki badań i doświadczenie własne autorów pracy wskazują, że dla doboru mikrostruktury materiału na tuleje, z uwagi na wielkość wydzieleń krzemu należ skupić się nad badaniami stopu o maksymalnej wielkości wydzieleń krzemu pierwotnego od 10 µm do 70 µm. Taką wielkość wydzieleń uzyskano dla stopu o składzie opracowanym dla potrzeb pracy 4. PODSUMOWANIE Poprzez dobór składu chemicznego siluminu nadeutektycznego i szybkości chłodzenia stopu uzyskano wydzielenia krzemu pierwotnego o maksymalnej długości od 25 do 71,4 µm. 308

7 Powierzchniowe uszlachetnianie odlewu ze tego stopu z wykorzystaniem plazmy łuku elektrycznego pozwoliło na obniżenia wartości maksymalnych, pierwotnych wydzieleń krzemu do 10 µm.. Badania zużycia ściernego i podatności na zacieranie nadeutektycznego stopu Al-Si różniącego się wielkością wydzieleń pierwotnych krzemu pozwoli na ustalenie najkorzystniejszej ich wartości z uwagi na niezawodność pracy pary trącej w układzie tuleja-pierścień-tłok. LITERATURA [1] Subramanian C.: Some consideration towards the design of a wear resistant aluminum alloy. Wear, 155, 1992, [2] Poniewierski Z.: Modyfikacja siluminów. WNT, Warszawa, [3] Pietrowski S.: Siluminy. Politechnika Łódzka, [4] Andrews J.B, Senevirante M.V.C: A new alloys, highly wear resistant aluminumsilicon casting alloys for automotive engine block applications. AFS Transactions, 53, 1984, [5] Prasad B.K., Venkateswarku K., Modi O.P., Yegneswaran A.H.: Influence of the size and morphology of silicon particles on the physical, mechanical and tribological properties of some aluminum-silicon alloys. Journal of Materials Science Letters, 15, 1996, [6] Timmermans G., Froyen L.: Tribological performance of hypereutectic P/M Al-Si during sliding in oil. Wear, 231, 1999, [7] Alps A.T., Zhang J.: Effect of microstructure (particulate size and volume friction) and counterface material on the sliding wear resistance of particulate-reinforced aluminum matrix composites. Metall. Trans., A25, 1994, [8] Zhou J., Duszczyk J., Korevaar B.M.: As spray-deposited structure of an Al-20Si- 5Fe osprey perform and its development during subsequent processing. J. Mater. Sci., 26, 1991, [9] Feng Wang, Yajun Ma, Zhengye Zhang, Xiaohao Cui, Yuansheng Jin: A comparison of the sliding wear behavior of a hypereutectic Al-Si alloy prepared by spray-deposition and conventional casting methods. Wear, 256, 2004, [10] Orłowicz W, Mróz M.: Structure and operational characteristics of castings of LM25 with surface layer refined by rapid solidification. Int. Journal of Cast Metals Research, vol.15, 2002, [11] Orłowicz W., Mróz M.: Study on suscebility of Al-Si alloy castings to surface refinement with TIG arc. Zeitschrift für Metallkunde, 96, 2005, 12, [12] Pietrowski S.: Silumin wieloskładnikowy. Opis patentowy, PL179730, [13] Piątkowski J, Binczyk F.: Przyczyny powiększania twardości siluminu AlSi17 z dodatkami stopowymi po obróbce cieplnej. Archiwum Nauki o Materiałach, 23, 2002, [14] Pietrowski S.: Silumin nadeutektyczny z dodatkami Cr, Mo, W i Co. Krzepnięcie Metali i Stopów, 38, 1998,

8 [15] Binczyk F, Piątkowski J.: Krystalizacja siluminu AlSi17 z dodatkami Cr, Co i Ti. Archwum Odlewnictwa, 3, 9, 2003, [16] Ott R.D., Blue C.A., Santella M.L., Blau P.J.: The influence of a heat treatment on the tribological performance of a high wear resistant high Si Al-Si alloy weld overlay. Wear, 251, 2001, [17] Informacje firmy KS Aluminum Technologie AG Division of Kolbenschmidt Pitsburg. [18] Jorstadt J.L.: Applications of 390 alloy an update. AFS Transactions, 1984, SHAPING OF CROSS-SECTIONAL STRUCTURE OF CASTING OF STRONGLY HYPEREUTECTIC Al-Si ALLOY (Al-30%Si) SUMMARY Selection of chemical composition and microstructure shaping are discussed, in particular the size of primary silicon precipitates in hypereutectic silicon in order to improve the resistance to wear of cast combustion-engine elements. The applied alloy, Al-30%Si, contains alloying additives (Ni, V, Cr). The primary silicon precipitates of maximum length from 25.0 µm to 71.4 µm were obtained through cooling rate variation. Surface refinement of castings with electric arc plasma permitted obtaining of primary silicon precipitates of maximum length 10 µm. Praca realizowana w ramach projektu badawczego KBN Nr 3 T08C Recenzował: prof. Józef Gawroński. 310