WPLYW PIERWIASTKÓW MODYFIKUJĄCYCH STRUKTURĘ NA EFEKT UTWARDZANIA DYSPERSY JNEGO STOPÓW ALUMINIUM. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica

Transkrypt

1 33/16 Soliditikation of Metais and Alloys, No. 33, 1997 K zepnięcie Metali i Stopów, Nr 33, 1997 PAN- Oddział Katowice PL ISSN WPLYW PIERWIASTKÓW MODYFIKUJĄCYCH STRUKTURĘ NA EFEKT UTWARDZANIA DYSPERSY JNEGO STOPÓW ALUMINIUM RZADKOSZ Stanisław, ST ASZCZAK Lc!opold Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Wydział Odlewnictwa, ul.reymonta 23, Kraków Streszczenie Uzyskanie wysokiego poziomu wskaźników wytrzymałościowych stopów aluminium wymaga odpowiedniej struktury pierwotnej odlewów i zapewnienia dużego efektu utwardzenia dyspersyjnego. Jednym ze sposobów kształtujących strukturę jest modyfikowanie stopów, a zwiększenie efektów obróbki cieplnej mo:tliwe jest przez zastosowanie mikrododatków odpowiednich pierwiastków. W pracy analizowano wpływ modyfikatorów (Ti,B,Zr) na właściwości wytrzymałościowe stopów Al-Cu (zawierających 5-6% Cu i roikrododatki innnych pierwiastków) oraz stopów Al-Zn-Mg. Omawiono wpływ mikrododatków i modyfikatorów na kinetykę umacniania się stopów podczas starzenia. l. Wprowadzenie Właśc iwości wytrzymałościowe odlewów z wysokowytrzymałych stopów na osnowie aluminium zależą od cech mikrostruktury ukształtowanych w procesie wytwarzania stopów oraz ich krzepnięcia i stygnięcia w formie. Właściwości te po odlaniu są stosunkowo niskie i dopiero po przesycaniu i starzeniu uzyskują odpowiednio wysoki poziom. Sposób prowadzenia obróbki cieplnej i jej efekty są silnie uzale:tnione od morfologii struktury pierwotnej stopów, zależnej od szeregu czynników jak zawartość składników stopowych, czystość wsadu, warunki topienia, efektywność procesu rafinacji i modyfikacji oraz parametrów odlewania. Najwyższe właściwości po utwardzaniu dyspersyjnym wykazują stopy na osnowie Al-Cu i Al-Zn-Mg. Istotną rolę w uzyskaniu wysokich właściwości wytrzymałościowych tych stopów odgrywają mikrododatki pierwiastków zwiększających u mocnienie roztworu stałego w wyniku starzenia. Przykłady takiego oddziaływania mi-

2 120 krododatków podaje tabela l, sporządzona w oparciu o wcześniejsze badania autorów [1-4]. W tabeli tej podano właściwości mechaniczne (R.",A 5,HV) uzyskane w wyniku u twardzania dyspersyjnego stopów AJ-Cu i AJ-Zn-Mg, do których wprowadzono małe ilości różnych pierwiastków oraz przyrost <\R." i MłV po utwardzniu dyspersyjnym w stoslulku do stanu przed obróbką cieplną (efekt starzenia ). Tabela l. Właściwości mechaniczne stopów na osnowie Al-Cu i Al-Zn-Mg odlanych do formy metalowej uzyskane po utwardzaniu dyspersyjnym. Lp. Stop l Dodatki R.n As HVJo Efekt MPa % LlRm ó.hv l. 5 82%Cu ,90%Cu +O 11 %Sn 440 1, ,11 %Cu; +0,15%Cd O%Cu; +0,22%Mg %Cu +O 12%In %Cu +O 4%Bi ,85%Cu +0,37%Ag ,8%Cu O 25%Fe; +0,092%Sn 435 1, ,8%Cu; 0,60%Fe; +O 12%Sn 400 l ,7%Cu; 0,12%Sn +0,286%Ti 465 5, %Cu O 15%Cd +O,ll%Mg 395 2, O%Zn;2,4%Mg; 0,6%Cu +O 3%Mn 485 4, ,5%Zn 2 5%Mg; O 72%Cu;+O 38%Mn; 497 3, ,8Zn;2,9Mg;0,8Cu;0,4Ag;0,05TiB;0,02Be 480 5, ,5Zn;3,1Mg; 0,9Cu;0,2Cr;0,03TiB;O,llZr 515 3, Z danych zestawionych w omawianej tabeli wynika, że największą wytrzymałość R.n w grupie stopów Al-Cu uzyskano po zastosowaniu mikrododatków cyny, a następnie indu i kadmu. Stopy z cyną charakteryzują się jednak mniejszą plasty cznością niż stopy z kadmem lub indem.. Z badań wynikało również, że mikrododatki cyny, indu i kadmu hamują silnie procesy starzenia naturalnego (strefowego), a przyspieszają procesy starzenia fazowego w wyższych temperaturach. Obserwowano również, że dodatki magnezu do stopu AJ-Cu powodują dużąjego skłonność do starzenia naturalnego, co może mieć wpływ na przebieg i efekt starzenia sztucznego w przypadku jeśli odlewy będą dłużej wytrzymywane przed starzeniem sztucznym po zabiegu przesycania. Z tabeli l wynika ponadto, że znacznie większą wytrzymałość na rozciaganie (rzędu 500MPa) mają stopy typu AJ-Zn-Mg, zawierające 5,5-6%Zn i około 3% Mg oraz małe dodatki miedzi, manganu, chromu, srebra, berylu lub cyrkonu. Na podstawie wyników badań stopów do których wprowadzono jednocześnie dwa pierwiastki można stwierdzić, iż w przypadku niektórych kompozycji zaznacza się wyraźna ich interakcja, np. po zastosowaniu mikrododatków takich pierwiastków jak Cd+Mg i Sn+Mg, efekty utwardzania dyspersyjnego są mniejsze w porównaniu ze stopami zawierającymi pojedyńcze pierwiastki. Można z tego wnosić, iż magnez osłabia umacniający wpływ cyny i kadmu. W ieloskładnikowe wysokowytrzymałe stopy na osnowie AJ-Cu i AJ-Zn-Mg zaw i erają, oprócz podstawowych składników stopowych, mikrododatki innych pierwiastków. Korygują one skład fazowy i morfologię faz, zmieniają właściwości osno-

3 121 wy stopów po przesycaniu i starzeniu oraz rekompensują szkodliwy wpływ zanieczyszczeń. W grupie tych dodatkowych, celowo wprowadzanych pierwiastków są również pierwiastki modyfikujące struk:1:urę stopów, takie jak tytan, bor i cyrkon. Zapewniają one uzyskanie jednorodnej i rozdrobnionej struktury pierwotnej odlewów, a w konsekwencji powtarzalnych właściwości wytrzymałościowych stopów. Rozdrobnienie struktury pierwotnej w odlewach jest czynnikiem zwiększającym efektywność przesycania, albowiem sprzyja szybszemu rozpuszczaniu się faz międzymetalicznych, l1~pszemu ujednorodnieniu osnowy i większemu przesyceniu roztworu stałego. W pracy przedstawiane są wyniki badań wpływu mikrododatków tytanu, boru oraz cyrkonu na przebieg starzenia stopów Al-Cu i Al-Zn-Mg, i uzyskiwane w jego wyniku właściwości mechaniczne. 3. Wpływ pierwiastków modyfikujących na strukturę pierwotną stopów Badania przeprowadzono na przykładzie stopów Al-Cu zawierąjących 5,6-:-5,8% Cu oraz stopów Al-Zn-Mg zawierających 5-6%Zn, 2-4%Mg i l %Cu. Do sporządzenia stopów użyto materiały wsadowe w postaci czystych metali tj.alumiunium ARI i miedzi katodowej oraz cynku EOl i magnezu Mgl. Topienie stopu wyjściowego przeprowadzono w piecu elektrycznym indukcyjnym, w tyglu grafitowo- szamotowym. Temperatura odlewania wynosiła 1013K. Badania właściwości mechanicznych przepro-wadzono zgodnie z odpowiednimi Polskimi Normami. Modyfikowani przeprowadzono zaprawami: A1Ti5, A1Ti6B oraz A1Zr3. Uzyskany efekt rozdrobnienia struktury stopów Al-Cu i Al-Zn-Mg pokazano przykładowo na rys.l-3. Natomiast w tabeli 2 podano wyniki badań wpływu dodatków modyfikujących na właściwości mechaniczne i rozdrobnienie struktury stopów. al b/ c/ Rys.l. Mikrostruktura stopu A1Cu5,8 przed modyfikowaniem (a), po modyfikowaniu dodatkami 0,2% Ti (b) i 0,25% Zr (c). Zarysy dużych ziarn roztworu stałego a z zaznaczającą się niejednorodną chemicznie wewnętrzną budową (a), częściowo rozdrobnione ziarna roztworu stałego po modyfikowaniu tytanem (b) i silnie rozdrobnione ziarna roztworu stałego po modyfikowaniui tytanem i borem(c). Pow. x 150.

4 122 al b/ c/ Rys.2. Mikrostruktura stopu AlZn5MgJCu przed modyfikacją (a) oraz po modyfikacji dodatkami : O, 1% Ti + 0,02 %B(b) i O, 1% Ti + 0,02 %8+ 0,25% Zr (c). Widoczne zarysy dużych ziarn roztworu stałego a (a), rozdrobnione krystality roztworu stałego po modyfikacji (b,c). Pow.x 150. al b/ c! dl e/ Rys.J. Makrostruktura odlewu AlZn5Mg3Cu przed modyfikacją (a) i po modyfikacji dodatkami :O)%Ti(b); 0,25%Zr(c); 0,05%Ti+0,02% B(d) oraz 0,05%Ti+0,02%B +0,2o/oZr(e). Wydłużone duże ziarna (a) oraz rozdrobnione równoosiowe Ziarna roztworu stałego po modyfikacji (b, c, d,e)

5 123 Z przeprowadzonych badań metalograficznych wynika, że intensywność rozdrabniania struktury badanych stopów za pomocą dodatków tytanu lub cyrkonu jest niewielka.średnia wielkość ziarn zmniejsza się 4-5 krotnie po wprowadzeniu w/w pierwiastków w ilości 0,2-0,25%.Równocześnie bardzo wyraźnie ulega zmianie kształt ziarn od wydłużonych do równoosiowych. Obecność borków bardzo silnie uintensywnia proces modyfikacji powodując blisko l 00-krotne zmniejszenie wymiarów ziarn. Rozdrobnione i równoosiowe ziarna mają słabo rozwiniętą i rozgałęzioną budowę wewnętrzną dendrytów. Szczególnie rozdrobnioną postać poliedrycznych ziarn zaobserwowano w przypadku kompleksowego użycia dodatków tytanu i boru do modyfikacji stopu zawierającego dodatek cyrkonu. Z danych uzyskanych z przeprowadzonych badań wynika, że dodatek tytanu w ilości 0,25%, zwiększając kilkukrotnie roz.drobnienie struktury wywołuje stosunkowo niewielke zwiększenie właściwości wytrzymałościowych w stanie po odlaniu, a także w stanie po przesycaniu. T abela 2. Wpływ modyfikacji na strukturę i właściwości stonów Al-Cu i AIZnMg. Rodzaj- Stan Dodatek Właściwości L. p stopu stopu modyfikatora Rm A5 HV30 Liczba lfmpal f%1 ziam/cm 2 l. A1Cu5,8- po odlaniu , A1Cu5,8.. po odlaniu 0,2%Ti 199 4, A1Cu5,8- po odlaniu O,OS%Ti+ 0,02% , A1Cu5 8- po odlaniu 0,25%Ti + 0,02% , l A1Cu5,8- po odlaniu 0,25%Zr + 0,001% , A1Cu5 8- po odlaniu O,OSTi + 0,028+0,2Zr 211 5, A1Cu5,8 - po przesyc l A1Cu5 8- po przesyc 0,2%Ti 243 7, A1Cu5 8- po przesyc 0,05%Ti+ 0,02% , A1Cu5,8- po przesvc 0,25%Ti + 0,02% , II. A1Cu5 8- po orzesvc 0,25o/oZr + 0,02% A1Cu5,8- po przesyc O,OSTi + 0,028+0,2Zr , A1Cu5,8Sn po odlaniu , l A1Cu5,8Sn po odlaniu 0,25%Ti 200 3, A1Cu5,8Sn po odlaniu 0,05%Ti+ 0,02% , A1Cu5,8Sn po odlaniu O,OSTi + 0,028+0,2Zr 210 5, A1Cu5,8Sn. po przesyc , A1Cu5 8Sn po przesyc. 0,25%Ti 200 3, A1Cu5,8Sn i no przesvc. 0,05%Ti + 0,02% , A1Cu5 8Sn po przesvc. O,OSTi + 0,02B+0,2Zr 210 5, AlZnMgCu po odlaniu , AlZnMgCu po odlaniu 0,25%Ti 209 4, AlZnMgCu po odlaniu 0,05%Ti + 0,02% , AlZnMgCu po odlaniu O,OSTi + 0,02B+0,2Zr 224 5, AIZnMgCu po przesyc AIZnMgCu po przesyc. O,OS%Ti + 0,02%8 27. AIZnMgCu po przesyc. O, 05Ti+O, 02B+0,2Zr 280 9, ll, ,

6 124 Podobne jest oddziaływanie dodatków cyrkonu na strukturę i właściwości stopów Al-Cu, jak i Al-Zn-Mg. W przypadku modyfikacji kompleksowej dodatkami tytanu i boru lub cyrkonu, stopień rozdrobnienia struktury silnie się zwiększa, wywołując poprawę wytrzymałości na rozciąganie, a szczególnie plastyczności stopów w stanie po odlaniu. 4. Wpływ pierwiastków modyfikujących na efekt starzenia stopów Wpływ wybranych mikrododatków modyfikujących na przebieg procesu umacniania podczas starzenia przedstawiono poglądowo na rys ~ > l J:_ 100 ~ ~ f a) , b) Czas,h Czas,h Rys.5. Wpływ dodatków tytanu (0,25%) na urnacnienie stopu A1Cu5,8 (a) oraz wpływ dodatków tytanu i boru (O,l%Ti+0,02%B) na urnacnienie stopu A1Cu5,8Sn0,11 (b), podczas starzenia. Stan wyjściowy-krzywe lw,3w. Po modyf.-krzywe 2,4. Tabela 3. Właściwości mechaniczne niemodyfikowanych i modyfikowanych stopów na. AlC 'Al dzani d osnowte - Ul -Zn-Mg po utwar u 1ys :>ersyjnym. L. p Rodzaj- Stan Dodatek Właściwości stopu stopu modyfikatora Rm As HV30 Liczba l. A1Cu5,8- po starzeniu 120 C!72h , i[mpa f%1 ziarn/cm 2 2. A1Cu5,8- po starzeniu 160"C/6h 0,2%Ti 365 4, A1Cu5,8- po starzeniu 160 C/6h 0,05%Ti + 0,02% , A1Cu5,8- po starzeniu 160 C/6h 0,05% TiB+0,2o/olr 383 4, A1Cu5 8Sn po starzeniu 160 C/6h l, A1Cu5 8Sn po starzeniu 120 C/72h 0,25%Ti 419 3, A1Cu5,8Sn po starzeniu 160 C/6h 0,05%Ti+ 0,02%B 442 2, A1Cu5,8Sn po starzeniu 160 C/6h 0,05%TiB+0,2o/olr 445 2, AlZnMgCu po starzeniu 120 C/12h , AlZnMgCu po starzeniu 120 C/12h 0,25%Ti 489 2, l AlZnMgCu po starzeniu 120 C/12h 0,05%Ti+ 0,02% , AlZnMgCu po starzeniu 120 C/12h 0,05%TiB+0,2o/olr 498 2,

7 125 Natomiast w tabeli 3 podano przykładowe dane ujmujące wpływ mikrododatków na właściwości mechaniczne stopów Al-Cu i AlZnMgCu po utwardzaniu dyspersyjnym Temperatura starzenia 120 C 100 -~----,_ ~~ 160 Temperatura starzenia 160 C a) 60[~ ----,_ ~ ł , Czas, h l ~;t~lk - 11 ao - -' _]_ ~- a - Lp o l =r -b--0,1ti, 0,028, ' 0,2Zr, Lk )( -O, ITI, 0,028, 00 L- 0,2Zr, Lp b) 0, Czas, h Rys.6. Wpływ dodatków tytanu; boru i cyrkonu na przebieg procesu umacniania stopu A1Zn5Mg3Cu odlanego do form metalowych i piaskowych, podczas starzenia w temperatum: 120 C (a) i 160 C (b). Z przedstawionych danych wynika, że zastosowane pierwiastki modyfikujące strukturę zwiększj ą po utwardzaniu dyspersyjnym właściwości mechaniczne odlewów kokilowych zarówno w przypadku stopów Al-Cu, jak i Al-Zn-Mg. Ten wpływ związany jest zarówno z korzystnie ukształtowaną strukturą pierwotną odlewów jak i z większym umocnieniem osnowy podczas starzenia. Korzystny wpływ pierwiastków modyfikujących na strukturę i właściwości mechaniczne po obróbce cieplnej uwidacznia się również w obecności mikrododatków zwiększających efekt starzenia (np.cyny w przypadku stopów Al-Cu). Podkreślenia wymaga również to, iż stopy z dodatkami modyftkującymi mają po obróbce cii.:plnej większe wydłużenie A 5, niż stopy bez tych pierwiastków. Omawiane pierwiastki harn~ją starzenie strefowe, a w mniejszym stopniu zmieniają kinetyk ę późniejszych etapów starzenia. 5.Podsumowanie Wyniki badań przedstawione fragmentarycznie w opracowaniu potwierdzają, iż pierwiastki modyfikujące (tytan,cyrkon,bor) mają duże znaczenie w kształtowaniu właściwości wysokowytrzymałych stopów na osnowie Al-Cu i Al-Zn-Mg. Pozytywny wpływ jest wywołany korzystnymi zmianami w strukturze pierwotnej odlewów, jak

8 126 również zwiększeniem efektu przesycania i starzenia. Jednoczesne wprowadzenie do tych stopów odpowiednich pierwiastków modyfikujących strukturę i innych mikrododatków zwiększających efekt starzenia zapewnia wysoki poziom wytrzymałości na rozciąganie, przy zwiększonym wydłużeniu. Zastosowanie intensywnej modyfikacji kompleksowej stopów Al-Cu i Al-Zn-Mg dodatkami tytanu(0,05-0,l%), boru(o,ol-0,02%) jak i cyrkonu (0,2-0,3%) pozwala uzyskać, po starzeniu w temperaturze l C przez 6-16 godz, wysoki poziom wytrzymałości na rozciąganie Rm ( 450-SOOMPa), przy zwiększonym wydłużeniu A 5 (2-3%). Analizowane pierwiastki hamują nieco tempo procesv starzenia strefowego w temperaturze otoczenia, a nie wpływają w większym stopniu na kinetykę procesu starzenia fazowego w temperaturach C, podwyższając jedynie efekt przesycania wskutek rozdrobnienia i ujednorodnienia struktury. Wyniki badań wskazują znaczne możliwości podv1yższenia efektów utwardzania dyspersyjnego Al-Cu i Al-Zn-Mg, szczególnie w przypadku odlewów krzepnących w warunkach mniejszej intensywności chłodzenia. LITERATURA [l] Rzadkosz S., Adamski C., Wąsik J. - Dyspersyjne utwardzanie wysokowytrzymałościowych stopów na osnowie aluminiwn. III Sympozjum Naukowe "Przemiany strukturalne w stopach odlewniczych - Teoria i efekty użytkowe". Rzeszów 1987, s.l [2] Staszczak L., Rzadkosz S., Kucharski M., Kaczor E., Tyrała E. -Wpływ dodatków stopowych i warunków krzepnięcia na strukturę i właściwości odlewów z wysokowytrzymałościowych stopów opartych o układ Al-Cu.Praca naukowobadawcza w ramach CPBP AGH Wydział Odlewnictwa.Kraków [3) Rzadkosz S., Staszczak L., Kucharski M. - Wpływ wybranych pierwiastków na efekt utwardzania dyspersyjnego stopu A1Cu5 zanieczyszczonego żelazem i krzemem. IV Sympozjum Naukowe "Przemiany stmkturalne w stopach odlewniczych - Teoria i efekty użytkowe ". Rzeszów 1989, s [4] Rzadkosz S., Staszczak L., Adamski C. - The effect of some additives on the mechanical properties of dispersion-hardened castings made in Al-Cu alloys.archives ofmetallurgy, 41, 1996,2, s