MODYFIKACJA SILUMINU AK20 DODATKAMI ZŁOŻONYMI

Transkrypt

1 41/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN MODYFIKACJA SILUMINU AK20 DODATKAMI ZŁOŻONYMI F. ROMANKIEWICZ 1 Instytut Inżynierii Produkcji i Materiałoznawstwa, Politechnika Zielonogórska ul. Podgórna 50, Zielona Góra STRESZCZENIE Badania wykazały, że wstępne stopy: AlTi5B1, AlTi6, AlB4 oraz AlTi3B1 nie zapewniają takiego efektu rozdrobnienia pierwotnego krzemu w stopie AK20 jaki osiągany jest przy użyciu. Dostrzegalny efekt modyfikacji wywołuje dodatek AlTi6, który również wzmacnia wpływ zaprawy fosforowej, podobnie jak AlTi5B1. Key words: modification, aluminum alloys 1. WPROWADZENIE Powszechnie wiadomo, że do modyfikacji nadeutektycznych stopów Al-Si, której zasadniczym celem jest rozdrobnienie kryształów pierwotnego krzemu, stosuje się fosfor w stanie wolnym lub w postaci wstępnych stopów Cu-P, Cu-Ni-P oraz Al-Cu- P. Z niektórych krajowych doniesień literaturowych wynika [1-3], że bardziej skuteczne okazują się modyfikatory złożone zawierające oprócz fosforu również tytan oraz bor. Stwierdzono również [2], że zabieg modyfikacji siluminów o zawartości 15,95-21,13% Si dodatkiem wstępnego stopu AlTi5B1 spowodował ponad 4-krotne rozdrobnienie kryształów pierwotnego krzemu. Taki efekt modyfikacji osiągnięto przy wprowadzeniu do siluminów 0,22-0,24% Ti i 0,042-0,045% B. Opierając się na przedstawionych danych źródłowych postanowiono przeprowadzić badania nad modyfikacją siluminu AK20 przy użyciu wstępnych stopów zawierających fosfor, tytan oraz bor, stosując je oddzielnie oraz łącznie. 1 prof. dr hab. inż., froman@wm.pz.zgora.pl

2 2. OPIS BADAŃ 2.1. Topienie i modyfikacja Do badań użyto stopu AK20 o składzie chemicznym: 20% Si ; 1,3% Cu; 1,0% Ni; 0,8% Mg; 0,2% Mn; reszta Al. Topienie stopu przeprowadzono w piecu indukcyjnym IMSL-10 przy użyciu grafitowo-szamotowych tygli. Po roztopieniu przetrzymywano ciekły stop w temperaturze 800 o C w czasie 30 min. Zabiegi modyfikacji przeprowadzono przy temperaturze 750 o C. Rodzaj i 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 wykorzystano do oceny zmian struktury stopu pod wpływem modyfikacji Badania struktury Wpływ modyfikacji na zmianę struktury siluminu AK20 ilustrują rysunki Stop w stanie niemodyfikowanym (rys.1) wykazuje w strukturze stosunkowo duże i nierównomiernie rozłożone kryształy pierwotnego krzemu o wymiarach m. Zabieg modyfikacji siluminu zaprawą (rys.2) spowodował silne rozdrobnienie (do 18 m) i równomierne rozłożenie kryształów krzemu. Dodatek stopu AlTi5B1 (rys.3) spowodował nieznaczne rozdrobnienie pierwotnego krzemu (do 71 m). Użycie tej zaprawy łącznie z zaprawą (rys.4) spowodowało jednak nieznaczną poprawę rozdrobnienia krzemu (do 16 m) w porównaniu do samego dodatku (rys.2). Zabieg modyfikacji siluminu dodatkiem zaprawy AlTi6 (rys.5) doprowadził do wyraźnego rozdrobnienia pierwotnego krzemu (do 32 m), które jednak znacznie odbiegało od efektu rozdrobnienia osiągniętego przy użyciu zaprawy z udziałem fosforu (rys.2). Łączne dodatki AlTi6 oraz (rys.6) zapewniły nieco lepszy efekt rozdrobnienia pierwotnego krzemu (do 14 m). Modyfikacja siluminu AK20 zaprawą AlB4 (rys.7) spowodowała niewielkie rozdrobnienie krzemu (do 46 m). Łączny dodatek AlB4 oraz (rys.8) również nie spowodował poprawy rozdrobnienia krzemu w porównaniu do zaprawy (rys.2). Zabieg modyfikacji stopu AK20 zaprawą AlTi3B1 (rys.9) spowodował nieznaczne rozdrobnienie pierwotnego krzemu (do 64 m). Również łączny dodatek AlTi3B1 oraz (rys.10) nie poprawił efektu rozdrobnienia krzemu w porównaniu do modyfikacji samym dodatkiem (rys.2). W celu porównania efektu modyfikacji (rozdrobnienia) pierwotnego krzemu określono stopień modyfikacji zaproponowany w pracy [4]. Określono go w % z uwzględnieniem różnicy wielkości kryształów pierwotnego krzemu w stopie niemodyfikowanym oraz po modyfikacji w stosunku do stopu wyjściowego. Stopień modyfikacji dla poszczególnych wytopów podano w tabeli 1.

3 Rys. 1. Mikrostruktura stopu AK20 w stanie niemodyfikowanym Fig. 1. Microstructure of alloy AK20 no modified Rys. 2. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji dodatkiem 1,43% (0,02% P) Fig. 2. Microstructure of alloy AK20 modified with 1,43% (0,02% P) Rys. 3. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji dodatkiem 4% AlTi5B1 (0,2% Ti, 0,04% B) Fig. 3. Microstructure of alloy AK20 modified with 4% AlTi5B1 (0,2% Ti, 0,04% B) Rys. 4. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji dodatkami 4% AlTi5B1 (0,2% Ti, 0,04% B) i 1,43% (0,02 % P) Fig. 4. Microdtructure of alloy AK20 modified with 4% AlTi5B1 (0,2% Ti, 0,04% B) and 1,43% (0,02% P)

4 Rys. 5. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji dodatkiem 3,3% AlTi6 (0,2% Ti) Fig. 5. Microstructure of alloy AK20 mdified with 3,3% AlTi6 (0,2% Ti) Rys. 6. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji dodatkiem 3,3% AlTi6 (0,2% Ti) i 1,43% (0,02% P) Fig. 6. Microstructure of alloy AK20mdified with 3,3% AlTi6 (0,2% Ti) and 1,43% (0,02% P) Rys. 7. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji dodatkiem 1% AlB4 (0,04% B) Fig. 7. Microstructure of alloy AK20modified with 1% AlB4 (0,04% B) Rys. 8. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji dodatkami 1% AlB4 (0,04% B) i 1,43% (0,02% P) Fig. 8. Microstructure of alloy AK20 modified with 1% AlB4 (0,04% B) and 1,43% (0,02% P)

5 Rys. 9. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji dodatkiem 6,6% AlTi3B1 (0,2% Ti, 0,066% B) Fig. 9. Microstructure of alloy AK20 modified with 6,6% AlTi3B1 (0,2% Ti, 0,066% B) Rys. 10. Mikrostruktura stopu AK20 po modyfikacji dodatkami 6,6% AlTi3B1 (0,2% Ti,0,066%B) i 1,43% (0,02%P) Fig. 10. Microstructure of alloy AK20 modified with 6,6% AlTi3B1 (0,2% Ti, 0,066% B) and 1,43% (0,02% P) 2.3. Badania właściwości mechanicznych Badania właściwości mechanicznych stopu AK20 zawierały ocenę: wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia względnego wg PN-91/H oraz twardości wg PN-91/H Wyniki pomiarów zamieszczono w tabeli 1. Z przedstawionych w tabeli 1 wskaźników wytrzymałościowych wynika, że modyfikacja siluminu AK20 zaprawą powoduje obniżenie R m oraz HB przy wzroście A 5 (wytop 2). Dodatki zapraw AlTi5B1 (wytop 3) oraz AlTi6 (wytop 5) spowodowały wzrost R m i A 5 próbek stopu AK20 pomimo braku zadawalającego efektu rozdrobnienia pierwotnego krzemu. Niewielki wzrost R m. spowodował również dodatek zaprawy AlB4 (wytop 7). Najkorzystniejszy wzrost R m. badanego siluminu nastąpił pod wpływem dodatków AlTi6 (wytop 5) oraz złożonych dodatków AlTi5B1 z (wytop 4) i AlB4 z (wytop 8). W wytopach tych osiągnięto również wysokie wskaźniki wydłużenia względnego A 5. Stwierdzone zmiany właściwości mechanicznych badanego siluminu można wyjaśnić wpływem tytanu i boru na umocnienie i rozdrobnienie fazy α. Obniżenie R m. stopu AK20 po modyfikacji dodatkiem 1,43% (wytop 2) świadczy o nadmiernej jego ilości, co odpowiada dodatkowi 0,02% fosforu. Wcześniejsze badania autora [5] wykazały, że podobny efekt rozdrobnienia kryształów pierwotnego krzemu osiąga się przy dodatku 0,86%, co odpowiada dodatkowi 0,012% fosforu. Uzyskano w tym wypadku wzrost R m. stopu AK20 do 196 MPa.

6 Tabela 1. Efekty modyfikacji stopu AK20 Tablo 1. Effects of modification of alloy AK20 Nr Wytopu Stan stopu Wielkość kryształów krzemu D, µm Stopień modyfikacji Właściwości mechaniczne R m, MPa M, % 1. Bez modyfikacji , ,43% , % AlTi5B , % AlTi5B1+1,43% , ,3% AlTi , ,3% AlTi6+1,43% , % AlB , % AlB4+1,43% , ,6% AlTi3B , ,6% AlTi3B1+1,43% ,62 96 Ilości dodatków: - 0,02% P AlTi5B1-0,2% Ti; 0,04% B AlTi6-0,2% Ti AlB4-0,04% B AlTi3B1-0,2% Ti; 0,066% B A 5, % HB 3. WNIOSKI Zabieg modyfikacji stopu AK20 zaprawą (0,02%P) spowodował rozdrobnienie kryształów pierwotnego krzemu z 100 do 18 µm. Stosowany z tą zaprawą dodatek AlTi6 (0,2% Ti) spowodował dalsze rozdrobnienie krzemu do 14 µm, natomiast dodatek AlTi5B1 (0,2% Ti i 0,04% B) spowodował rozdrobnienie krzemu do 16 µm. Dodatki AlB4 (0,04% B) oraz AlTi3B1 (0,2% Ti i 0,066% B) pogorszyły efekt modyfikacji zaprawą. Stosowane oddzielnie zaprawy AlB4 oraz AlTi3B1 spowodowały znikomy efekt rozdrobnienia krzemu (46-64 µm). Oddzielne zastosowanie zaprawy AlTi6 spowodowało nieco lepsze rozdrobnienie krzemu ( do 32 µm). Z przeprowadzonych badań wynika, że żadna ze stosowanych zapraw nie daje możliwości uzyskania efektów modyfikacji zbliżonych do osiągniętych przy stosowaniu zaprawy. Ze względu jednak na właściwości mechaniczne wskazane jest zmniejszenie dodatku fosforu z 0,02% do 0,012%.

7 LITERATURA [1] Poniewierski Z.: Krystalizacja, struktura i właściwości siluminów. Wyd. WNT, Warszawa (1989). [2] Pietrowski S., Władysiak R.: Wpływ modyfikacji Ti, B i P na krystalizację siluminów nadeutektycznych. VIII Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Tendencje rozwojowe w procesach produkcyjnych. Zielona Góra (1997). s.99. [3] Pietrowski S.: Modyfikacja tytanem, borem i fosforem siluminu AK20. Wyd. Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 43. (2000). s [4] Stroganov G.B., Rotenberg V.A., Geršman G.B.: Spłavy aluminija s kremniem. Wyd. Metallurgia. Moskva (1977). [5] Romankiewicz F.: Modyfikacja siluminu AK20. Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 44. (2000). s SUMMARY MODIFICATION OF AK20 SILUMIN WITH COMPLEX ADDITIVES The investigations revealed, that master alloys: AlTi5B1, AlTi6, AlB4 and AlTi3B1 do not assure such good results in grain refining towards primary silica in AK20 alloy as is achieved when is used. The apparent effect of modification is seen only with AlTi6 additive, which additionally strengthen the influence of phosphorus master alloy, similarly as in the case of AlTi5B1. Recenzował Prof. Przemysław Wasilewski