MODYFIKACJA SILUMINU AK20. F. ROMANKIEWICZ 1 Politechnika Zielonogórska,

Transkrypt

1 42/44 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 MODYFIKACJA SILUMINU AK20 F. ROMANKIEWICZ 1 Politechnika Zielonogórska, STRESZCZENIE Badania wykazały, że dodatek 120 ppm fosforu w postaci AlCu19P1,4 zapewnia lepszy efekt rozdrobnienia kryształów pierwotnego krzemu w stopie AK20 aniżeli równoważny dodatek CuP12. Równoczesna modyfikacja siluminu zaprawą AlSr10 korzystnie zmienia morfologię krzemu eutektycznego lecz osłabia efekt oddziaływania fosforu, co wymaga zwiększenia jego dodatku. 1. WPROWADZENIE Struktura siluminu nadeutektycznego AK20 cechuje się występowaniem dużych kryształów pierwotnego krzemu oraz grubokrystalicznych zbliźniaczonych płytek krzemu eutektycznego [1,2]. Duże i nierównomiernie rozłożone kryształy pierwotnego krzemu poważnie utrudniają obróbkę mechaniczną odlewów tłoków oraz istotnie obniżają ich tribologiczne właściwości [3]. Z tego względu istnieje potrzeba modyfikacji siluminu AK 20 w celu rozdrobnienia kryształów pierwotnego krzemu oraz zmiany morfologii krzemu eutektycznego. Jako dodatek rozdrabniający kryształy pierwotnego krzemu stosuje się czysty fosfor lub w postaci wstępnych stopów CuP, CuNiP lub AlCuP [4,5]. Jako dodatki zmieniające morfologię eutektycznego krzemu stosuje się sód lub stront [4,6]. 2. OPIS BADAŃ 2.1. Topienie i modyfikacja Badania przeprowadzono dla stop AK20 o składzie chemicznym: 20% Si; 1,3% Cu; 1,0% Ni; 0,8% Mg; 0,2% Mn; reszta Al. Topienie stopu przeprowadzano w piecu indukcyjnym IMSL 10 przy użyciu grafitowo szamotowych tygli. 1 Prof. dr hab. inż., froman@wm.pz.zgora.pl

2 318 Zabiegi modyfikacji przeprowadzano przy przegrzaniu ciekłego stopu do temperatury 1023 K (750 0 C). Dodatki modyfikujące stanowiły wstępne stopy: AlCu19P1,4, CuP12 oraz AlSr10. Ilości poszczególnych dodatków podano w tabeli 1. Do oceny efektów modyfikacji badanego stopu odlewano w metalowej kokili walcowe próbki o średnicy 32 mm i wysokości 60 mm, które służyły do oceny zmian struktury stopu pod wpływem modyfikacji Badania właściwości mechanicznych Badania właściwości mechanicznych stopu AK20 obejmowały ocenę: twardości wg PN-91/H-04319, udarności (bez karbu) wg PN-79/H oraz wytrzymałości na rozciąganie (dla wybranych wytopów) wg PN-91/H Wyniki pomiarów zamieszczono w tabeli 1. Tabela 1. Właściwości mechaniczne stopu AK20 Table 1. Mechanical properties of alloy AK20 Nr wytopu Stan stopu Twardość HB Udarność KC [J/cm 2 ] 1. Bez modyfikacji 102 3,3 2. 0,21% AlCu19P1,4 (0,003% P)* 3. 0,428% AlCu19P1,4 (0,006% P.)* 4. 0,86% AlCu19P1,4 (0,012% P.)* 5. 0,025% CuP12 (0,003% P.)* 6. 0,05% CuP12 (0,006% P.)* 7. (0,1% CuP12 (0,012% P.)* 8. 0,57% AlCu19P1,4 + 0,3% AlSr10 (0,008% P. + 0,03% Sr)* 9. 0,066% CuP12 + 0,3% AlSr10 (0,008% P. + 0,03% Sr)* Uwagi: * dodatek fosforu / strontu 107 3, , , , , , , ,5 Z przedstawionych w tabeli 1 wskaźników wytrzymałościowych wynika, że silumin AK20 w stanie niemodyfikowanym wykazywał najniższą twardość wynoszącą 102 HB oraz udarność KC równą 3,3 J/cm 2. Wszystkie przeprowadzone zabiegi modyfikacji spowodowały istotny wzrost twardości badanego stopu, który to wskaźnik wahał się po modyfikacji w zakresie HB. Najkorzystniejszy wzrost udarności

3 319 siluminu wystąpił po modyfikacji dodatkiem 0,86% AlCu19P1,4 (0,012% P), przy którym wskaźnik KC wynosił 4,1 J/cm 2 (wytop 4). Po modyfikacji stopu AK20 wstępnym stopem CuP12 (wytopy 5-7) nie zanotowano wzrostu udarności. Niewielki wzrost udarności siluminu natomiast przy łącznych dodatkach AlCu19P1,4 i AlSr10 (wytop 8) oraz CuP12 i AlSr10 (wytop 9). Wskaźnik udarności KC wynosił dla tych wypadków 3,8 J/cm 2 i 3,5 J/cm 2. Wykonane dla wybranych wytopów badania wytrzymałości na rozciąganie wykazały następujące zmiany. Stop AK20 bez modyfikacji (wytop 1) wykazywał R m 147 MPa i wydłużenie względne A 5 wynoszące 2,6%. Po modyfikacji dodatkiem 0,86% AlCu19P1,4, czyli 0,012% P (wytop 4) nastąpił wzrost R m do 196 MPa przy wzroście A 5 do 3,1%. Zabieg modyfikacji dodatkiem 0,1% CuP12, czyli podobną ilością fosforu (wytop 7) nie spowodował wzrostu R m (145 MPa) i A 5 (2,5%). Łączne dodatki zapraw fosforowych oraz zaprawy strontowej (wytopy 8 i 9) spowodowały obniżenie R m nieco poniżej 140 MPa i A 5 do 2,4% Badania struktury Wpływ modyfikacji na zmianę struktury siluminu AK20 ilustrują rysunki 1-5. Stop w stanie niemodyfikowanym (rys.1) wykazuje w strukturze stosunkowo duże i nierównomiernie rozłożone kryształy pierwotnego krzemu o wymiarach µm. Najlepszy efekt modyfikacji stopu osiągnięto przy dodatku 0,86% AlCu19P1,4 (wytop 4), co ilustruje rys. 2. Wielkość kryształów krzemu wynosi w tym przypadku µm. Rys. 1. Mikrostruktura stopu AK20 w stanie niemodyfikowanym (pow. 250x) Fig. 1. Microstructure of alloy AK20 no modified (magn. 250x)

4 320 Rys. 2. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji 0,86% AlCu19P1,4 (pow. 250x) Fig. 2. Microstructure of alloy AK20 modified with 0,86% AlCu19P1,4 (magn. 250x) Rys. 3. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji 0,1% CuP12 (pow. 250x) Fig. 3. Microstructure of alloy AK20 modified with 0,1% CuP12 (magn. 250x)

5 321 Rys. 4. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji 0,57% AlCu19P1,4 i 0,3% AlSr10 (pow. 250x) Fig. 4. Microstructure of alloy AK20 modified with 0,57% AlCu19P1,4 and 0,3% AlSr10 (magn. 250x) Rys. 5. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji 0,066% CuP12 i 0,3% AlSr10 (pow. 250x) Fig. 5. Microstructure of alloy AK20 modified with 0,066% CuP12 and 0,3% AlSr10 (magn. 250x)

6 322 Zabiegi modyfikacji stopu AK20 dodatkami zaprawy CuP12 spowodowały wyraźnie słabszy efekt modyfikacji (wytop 5-8), co uwidacznia rysunek 3. Równoczesna modyfikacja stopu zaprawami z udziałem fosforu oraz strontu (wytopy 8 i 9) spowodowała zmianę morfologii krzemu eutektycznego (rys. 4 i 5) bez zadawalających efektów rozdrobnienia kryształów krzemu pierwotnego. Może to świadczyć o ograniczeniu oddziaływania fosforu wskutek obecności strontu i potrzebie zwiększenia dodatku fosforu. 3. WNIOSKI Badania nad modyfikacją siluminu AK20 wykazały, że dodatek AlCu19P1,4 zapewnia lepszy efekt rozdrobnienia kryształów pierwotnego krzemu aniżeli dodatek CuP12. Dodatek 0,86% AlCu19P1,4 (0,012% P) powoduje zmniejszenie wielkości kryształów pierwotnego krzemu z µm do µm. oraz jego równomierne rozłożenie w strukturze stopu. Równoczesna modyfikacja siluminu dodatkiem AlSr10 powoduje korzystną zmianę morfologii krzemu eutektycznego lecz zmniejsza modyfikujący efekt zapraw z fosforem, co wymaga zwiększenia ich dodatku. LITERATURA [1] Z. Poniewierski: Krystalizacja, struktura i właściwości siluminów. WNT, Warszawa (1989). [2] X. G. Chen, S. Engler: Z. Metallkunde, (1991), nr 6, s.412. [3] J. Piątkowski: Rozprawa doktorska. Politechnika Śląska, Katowice (2000). [4] P. Wasilewski: Siluminy modyfikacja i jej wpływ na strukturę i właściwości. Monografia. Krzepnięcie Metali i Stopów nr 21. Komisja Odlewnictwa PAN, Katowice (1995). [5] S. Pietrowski: Siluminy tłokowe. Monografia. Krzepnięcie Metali i Stopów nr 29. Komisja Odlewnictwa PAN, Katowice (1997). [6] K. Müller: Doktor-Ingenieur Dissertation. TU Berlin (1995). SUMMARY MODIFICATION OF AK20 SILUMIN The results of investigations revealed that the addition of phosphorus in the amount of 120 ppm as the AlCu19P1.4 master-alloy assures the better effect of refining the primary silicon crystals in AK20 alloy than the equivalent portion of CuP12 alloy. The simultaneous modification of this silumin with AlSr10 master-alloy influences positively on the morphology of the eutectic silicon, but by decreasing the effect of phosphorus, demands enlarging of its portion added to the refined metal. Reviewed by prof. Michał Szweycer