GEOMETRIA NADTOPIEŃ I STRUKTURA USZLACHETNIONYCH POWIERZCHNIOWO ODLEWÓW Z NADEUTEKTYCZNEGO STOPU Al-Si

Transkrypt

1 25/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN GEOMETRIA NADTOPIEŃ I STRUKTURA USZLACHETNIONYCH POWIERZCHNIOWO ODLEWÓW Z NADEUTEKTYCZNEGO STOPU Al-Si M. MRÓZ 1, A. W. ORŁOWICZ 2, M. TUPAJ 3 Politechnika Rzeszowska Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa ul. W. Pola 2, Rzeszów STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki pomiaru geometrii nadtopień i parametrów strukturalnych warstwy wierzchniej odlewów ze stopu AK 20 uszlachetnionej szybką krystalizacją. Proces szybkiej krystalizacji realizowano z wykorzystaniem nadtapiania powierzchniowego odlewów plazmą łuku elektrycznego metoda GTAW (Gas Tungsten Arc Welding). Stosowano natężenie prądu 100, 200 i 300 A oraz prędkość przemieszczania plazmy łuku elektrycznego 200, 400 i 800 mm/min. Określono związki pomiędzy parametrami technologicznymi procesu GTAW, a geometrią nadtopień i strukturą materiału z obszaru nadtopień. Key words: AK 20 alloy, rapid solidification, fusion geometry, structural parameters 1. WPROWADZENIE Siluminy nadeutektyczne znajdują coraz większe zastosowanie w technice, zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym. Są one stosowane między innymi do wytwarzania tłoków silników spalinowych. Strukturę siluminu nadeutektycznego AK 20 cechują duże wydzielenia kryształów pierwotnych krzemu oraz grubokrystaliczne zbliźniakowane płytki krzemu eutektycznego [1,2]. Duże, kruche, nierównomiernie rozłożone wydzielenia krzemu 1 Dr inż., mfmroz@prz.rzeszow.pl 2 Prof. dr hab. inż., aworlow@prz.rzeszow.pl 3 Mgr inż., mirek@prz.rzeszow.pl 209

2 utrudniają obróbkę mechaniczną odlewów. Stop o takiej strukturze charakteryzuje się niską odpornością na zużycie ścierne oraz niską wytrzymałością zmęczeniową [3-4]. Z tego względu istnieje potrzeba rozdrobnienia kryształów pierwotnego krzemu oraz zmiany morfologii wydzieleń krzemu eutektycznego. W tym celu wykonuje się zazwyczaj modyfikację [1-6]. Skutecznym sposobem rozdrobnienia struktury siluminu jest szybkie chłodzenie stopu, celem wymuszenia efektu przechłodzenia stopu [1]. Jedną z niekonwencjonalnych metod, którą można by zastosować w tym celu jest uszlachetnianie powierzchniowe odlewów skoncentrowanym strumieniem ciepła. Metoda ta była z powodzeniem stosowana w odniesieniu do odlewów z podeutektycznych i eutektycznych stopów Al-Si [7]. Mniej uwagi poświęcono nadeutektycznym stopom Al-Si. Dlatego celem pracy było poznanie możliwości jakie daje zastosowanie skoncentrowanego strumienia ciepła do kształtowania struktury warstwy wierzchniej odlewu ze stopu AK METODYKA BADAŃ Materiał do badań stanowiły odlewy ze stopu AK 20. Skład chemiczny stopu podano w tabeli 1. Wytop prowadzono w piecu elektrycznym oporowym (o pojemności 300 kg), na bazie stopu wstępnego AlSi20, w postaci gąsek. Po stopieniu metalu, w temperaturze C, zalano kokilowe formy płyt o wymiarach 260x55x15 mm. Tabela 1.Skład chemiczny stopu AK 20. Table 1. Chemical composition of AK 20 alloy. Zawartość pierwiastków, % wag. Si Mg Mn Cu Fe Ti Cr Al 21,65 0,04 0,02 0,10 0,28 0,020 0,010 reszta Nadtopienia warstwy wierzchniej odlewów wykonano metodą GTAW z wykorzystaniem urządzenia FALTIG 315 AC/DC. W badaniach stosowano elektrodę wolframową o średnicy 4 mm, umocnioną tlenkiem toru WTh2. Do nadtapiania powierzchni odlewów płyt zastosowano prąd przemienny. Nadtopienia wykonano w atmosferze helu (20 l/min). Stosowano natężenie prądu I = 100, 200 i 300 A oraz prędkości skanowania łukiem elektrycznym v s = 200, 400 i 800 mm/min. Z odlewów płyt uszlachetnionych powierzchniowo szybką krystalizacją wycięto zgłady metalograficzne. Cięcia wykonano w płaszczyźnie prostopadłej do osi wzdłużnej nadtopień. Dla ujawnienia struktury zgłady te trawiono 0,5% roztworem HF. Pomiary szerokości a i głębokości h ściegów (rys.1) wykonano na zgładach metalograficznych przy użyciu mikroskopu optycznego NEOPHOT Rys.1. Schemat pomiaru geometrii nadtopień. Fig. 1.The schema of measurement of the fusion geometry

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Zastosowana metodyka umożliwiała pomiar z dokładnością do 0,01 mm. Na tych samych zgładach metalograficznych oceniono średnią długość, powierzchnię oraz obwód wydzieleń kryształów pierwotnego krzemu oraz określono parametr strukturalny, tj. odległość między kryształami pierwotnego krzemu. Pomiary parametru wykonano z zastosowaniem mikroskopu NEOPHOT 2 oraz zaawansowanego systemu analizy obrazu MultiScan v. 08. Schemat pomiaru parametru przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Schemat pomiaru parametru strukturalnego Fig.2. The schema of measurement of the structural parameters 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Wyniki badań wpływu parametrów procesu GTAW na geometrię nadtopień odlewów ze stopu AK 20 przedstawiono na rysunku 3. a) b) Rys. 3. Wpływ natężenia prądu i prędkości skanowania łukiem elektrycznym na szerokość (a) i głębokość (b) nadtopień. Fig. 3. Width (a) and depth (b) of the fusion area as a function of welding current and welding speed. Strukturę stopu AK 20 w stanie odlanym i po uszlachetnianiu powierzchniowym z zastosowaniem metody GTAW przedstawiają rysunki 4 i 5. W tabeli 2 przedstawiono wyniki pomiarów średniej długości, powierzchni i obwodu wydzieleń kryształów krzemu pierwotnego oraz wyniki pomiarów średniej odległości pomiędzy nimi w materiale odlewu ze stopu AK

4 a) b) Rys. 4. Struktura stopu AK 20 w stanie odlanym do formy piaskowej (a). Kryształy krzemu pierwotnego na tle eutektyka + (b). Trawiono 0,5 % HF. Fig. 4. The structure of AK 20 alloy from base material (a). Particle of primary silicon and eutectic phase + (b). Etched 0,5 % HF. a) b) Rys. 5. (a) Struktura stopu AK 20 w obszarze nadtopienia (200A/200 mm/min). (b) Kryształy krzemu pierwotnego na tle eutektyk a +. Trawiono 0,5 % HF Fig. 5. (a) The structure of AK 20 alloy from fusion area (200A/200 mm/min). (b) Particle of primary silicon and eutectic phase +. Etched 0,5 % HF 212

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Tabela 2. Parametry geometryczne wydzieleń krzemu pierwotnego w stopie AK 20 w stanie odlanym Table 2. Geometrical parameters of particle silicon from base material in the AK 20 alloy Parametry strukturalne Długość L, m Pole S, m 2 Obwód O, m Parametr λ, μm 236, ,1 1300,9 197,5 Wyniki pomiaru średniej długości, powierzchni i obwodu oraz odległości pomiędzy wydzieleniami krzemu pierwotnego w zależności od parametrów procesu nadtapiania przedstawiono na rysunku 6. a) b) c) d) Rys. 6. Długość (a), pole powierzchni (b), obwód (c) oraz parametr strukturalny λ (d) wydzieleń krzemu pierwotnego w funkcji natężenia prądu i prędkości skanowania Fig. 6. Length (a), ground of area (b), circuit (c) as well as structural parameter λ (d) of the silicon particle as a function current intensity and welding speed 213

6 Do ilościowego opisu wpływu parametrów procesu nadtapiania na geometrię nadtopień oraz ich strukturę zastosowano metodę liniowej regresji krokowej. Wpływ parametrów procesu nadtapiania na szerokość i głębokość nadtopień podają wyrażenia (1) i (2): a = 5,56 + 0,027 I 0,005 v s (R = 0,99, R 2 = 0,99, = 0,235 mm) (1) h = 2,37 + 0,018 I 0,003 v s (R = 0,99, R 2 = 0,99, = 0,16 mm ) (2) Wpływ parametrów procesu nadtapiania na średnią długość L, powierzchnię S oraz obwód O wydzieleń krzemu pierwotnego oraz średnią odległość między nimi podają wyrażenia (3) (6): L = 18,9 + 0,07 I 0,025 v s (R = 0,93, R 2 = 0,87, = 3,88 m) (3) S = 55,45 + 1,32 I 0,23 v s (R = 0,98, R 2 = 0,96, = 28,72 m 2 ) (4) O = 52,56 + 0,4 I 0,095 v s (R = 0,94, R 2 = 0,89, = 16,2 m) (5) = 22,4 + 0,01 I 0,006 v s (R = 0,99, R 2 = 0,99, = 0,18 m) (6) 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że szybka krystalizacja, przebiegająca w obszarach nadtopień wykonanych metodą GTAW, pozwoliła na istotne rozdrobnienie wydzieleń krzemu pierwotnego w stopie AK 20. W efekcie szybkiej krystalizacji uzyskano w porównaniu do stanu odlanego, nawet dziesięciokrotne zmniejszenie długości, pola powierzchni i obwodu oraz odległości miedzy wydzieleniami krzemu pierwotnego. Poprzez dobór natężenia prądu i prędkości skanowania łukiem elektrycznym można wpływać na morfologię wydzieleń krzemu eutektycznego. Celem uzyskania maksymalnie silnego rozdrobnienia wydzieleń krzemu pierwotnego należy dobierać możliwie małe natężenie prądu i możliwie wysoką prędkość skanowania łukiem elektrycznym. Skutkiem rozdrobnienia wydzieleń krzemu pierwotnego powinna nastąpić poprawa właściwości użytkowych uszlachetnionych powierzchniowo, skoncentrowanym strumieniem ciepła odlewów ze stopu AK 20. Dla uzyskania nadtopień o odpowiedniej geometrii opracowano zależności pozwalające na dobór parametrów technologicznych procesu GTAW. 214

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA LITERATURA [1] Poniewierski Z.: Krystalizacja, struktura i właściwości siluminów. WNT, Warszawa, [2] Romankiewicz F.: Modyfikacja siluminu AK 20. Krzepnięcie Metali i Stopów, 44, 2000, [3] Pietrowski S., Władysiak R.: Wpływ modyfikacji Ti, B i P na krystalizację siluminów nadeutektycznych. VIII Międzynarodowa Konferencja Nauk- Techniczna. Zielona Góra, 1997, [4] Binczyk F., Piątkowski J., Smoliński A.: Friction properties of AK 12 and AK 20 alloys. Acta Metallurgica Slovaca, 7, 2001, [5] Pietrowski S.: Siluminy tłokowe. Monografia. Krzepnięcie Metali i Stopów, PAN, z. 29, [6] Wasilewski P.: Siluminy-modyfikacja i jej wpływ na strukturę i właściwości. Monografia. Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 24, Katowice, [7] Orłowicz W., Mróz M.: Microstructure and fatigue strength of A 356 alloy castings refined on the surface by rapid crystallization. Zeitschrift Metallkunde, t. 94, z. 12,

8 THE FUSION GEOMETRY AND STRUCTURE OF HYPEREUTECTIC Al-Si ALLOY AFTER RAPID SOLIDIFICATION SUMMARY In this work the results of measurement of the fusion geometry parameters and structural parameters of AK 20 alloy after rapid solidification were described. The rapid solidification process was realized with the GTAW method (Gas Tungsten Arc Welding).The current intensity 100A, 200A and 300A as well as electric travel speed 200 mm/min, 400 mm/min and 800 mm/min were used. The relationships between GTAW process parameters and fusion geometry parameters as well as structural parameters were defined. Pracę wykonano w Politechnice Rzeszowskiej w ramach umowy U 6583/DS. Recenzował: prof. dr hab. inż. Franciszek Binczyk 216