ZMIANA WYTRZYMAŁOŚCI NA ROZCIĄGANIE STOPU AlSi12 PO OBRÓBCE MIESZANKĄ EGZOTERMICZNĄ ZŁOŻONĄ Z Na 2 B 4 O 7, NaNO 3 I Mg

Transkrypt

1 44/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN ZMIANA WYTRZYMAŁOŚCI NA ROZCIĄGANIE STOPU AlSi12 PO OBRÓBCE MIESZANKĄ EGZOTERMICZNĄ ZŁOŻONĄ Z Na 2 B 4 O 7, NaNO I Mg T. LIPIŃSKI 1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Wydział Nauk Technicznych Katedra Technologii Materiałów i Maszyn Olsztyn, ul. M. Oczapowskiego 11 STRESZCZENIE Eksperyment prowadzono na stopie AlSi12 (PN-EN 1676) według planu czynnikowego 2 dla trzech zmiennych. Mieszankę zestawiono z NaNO, Na 2 B 4 O 7 i Mg. Reduktor (Mg) obliczano w oparciu o reakcje chemiczną. Rezultaty zaprezentowano w postaci graficznej. Rysunki 2-4 przedstawiono dla dwóch poziomów zmiennych. Badania określiły wpływ mieszanki złożonej ze składników (tab. 1) na właściwości mechaniczne stopu AlSi12. Key words: Al alloys, silumin, crystallization, metallothermy 1. WPROWADZENIE Jednym z wielu zastosowań siluminu Al-12%Si są odlewy tłoków silników spalinowych. Ciężkie warunki ich pracy stawiają przed nimi wysokie wymagania. Właściwości mechaniczne stopu AlSi12 w stanie niemodyfikowanym nie predysponują go do tak surowych warunków pracy. Gruba struktura eutektyczna z ostro zakończonymi ziarnami eutektycznej fazy β stanowiącej karby strukturalne jest przyczyną niskich właściwości eksploatacyjnych. Podwyższenia wytrzymałości na rozciąganie można oczekiwać po obróbce stopu pierwiastkami i związkami chemicznymi oraz odpowiednim procesem technologicznym [1-5]. 1 dr hab. inż., tomekl@uwm.edu.pl

2 05 2. CEL I METODYKA BADAŃ Celem badań było określenie wpływu mieszanki egzotermicznej na bazie Na 2 B 4 O 7 i NaNO na wytrzymałość na rozciąganie stopu AlSi12. Do obróbki zastosowano mieszankę egzotermiczną, której główne składniki oraz przedział zmian przedstawiono w tab. 1. Badania przeprowadzono na podstawie planu czynnikowego 2. Tabela 1. Udział wagowy składników mieszanki Table 1. Mass fraction (weight in weight concentration) of mixture components Oznaczenie Składnik Poziomy zmian udziału składnika [%] Podstawowy Zmian Niższy Wyższy X 1 NaNO X 2 Na 2 B 4 O X Mg Formowanie prowadzono ręcznie. Mieszanki po przygotowaniu umieszczano w komorze reakcyjnej znajdującej się pod wlewem głównym. Ciekły metal, poprzez wlew główny (2-rys. 1), doprowadzany do komory reakcyjnej () inicjował proces egzotermiczny umieszczonych tam pastylek przygotowanych ze składników mieszanki, które przechodząc do stopu powodowały jego ulepszenie. Z komory reakcyjnej metal poprzez układ wlewowy kierowany był do sześciu wnęk (6). Po wypełnieniu przez stop przelewów (5), zalewanie formy przerywano Rys. 1. Forma odlewnicza: 1 skrzynka górna, 2 - wlew główny, - komora reakcyjna, 4 skrzynka dolna, 5 - przelew, 6 próbka do badań wytrzymałościowych. Fig. 1. Section of the casting mold: 1 - cope, 2 down-gate, reaction chamber, 4 drag, 5 strain relief, 6 - sample for strength testing.

3 06. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Wytrzymałość na rozciąganie stopu AlSi12 po obróbce dodatkami stopowymi o stałym udziale NaNO =% oraz Na 2 B 4 O 7 <, > Mg <, > [%] przedstawiono na rys. 2a. Przy udziale Na 2 B 4 O 7 i Mg na niższym poziomie zmian (%) - tab. 1, wystąpił wzrost wytrzymałości do 206 MPa. Otrzymana wielkość w tym punkcie jest najwyższa dla całego analizowanego planu badań. Przyjmując udział boraksu na poziomie niższym, a zmieniając udział Mg od -% otrzymano wzrost wytrzymałości do 200 MPa. Przy udziale Na 2 B 4 O 7 na poziomie %, przy zmianie udziału Mg od -% otrzymano spadek analizowanego parametru o 8 MPa z 206 do 198 MPa. Analizując rozkład warstwic stwierdzono szczególny ich rozkład dla zawartości wprowadzonych składników: Na 2 B 4 O 7 ok. 0.1% lub Mg ok. 0.18%. Dla tych zawartości zmiennych występuje brak oddziaływania drugiego czynnika zmiennego na wytrzymałość na rozciąganie. Stwierdzono również obniżenie intensywności oddziaływania Na 2 B 4 O 7 na wytrzymałość stopu przy udziale Mg na wyższym poziomie zmian. Wytrzymałość po obróbce stopu NaNO na stałym poziomie równym % oraz dla Na 2 B 4 O 7 i Mg w zakresie przedziału zmian (tab. 1) przedstawiono na rys. 2b. Dla udziału obu czynników zmiennych na niższym poziomie stwierdzono wytrzymałość na rozciąganie R m =178 MPa. Po zmianie Mg do poziomu wyższego (%) odnotowano wzrost wytrzymałości do 181 MPa, tj. o MPa. Stwierdzono, że sterowanie wytrzymałością poprzez zmianę udziału samego magnezu nie przynosi wyraźnych efektów. Natomiast wzrost udziału Na 2 B 4 O 7 do poziomu wyższego (%), przy udziale Mg na poziomie niższym zaobserwowano wzrost wytrzymałości do 198 MPa, tj. o 20 MPa. Utrzymując wyższy poziom boraksu, a podwyższając zawartość Mg odnotowano wzrost wytrzymałości do 204 MPa. Dla Mg na poziomie wyższym (%) i zmiennym udziale Na 2 B 4 O 7 od poziomu niższego (%) do wyższego (%) spostrzeżono wzrost wytrzymałości od 181 MPa do 204 MPa. Porównując przebieg warstwic dla zmiennego udziału boraksu i magnezu odnotowano około trzykrotnie intensywniejsze oddziaływanie Na 2 B 4 O 7. Zmiany wytrzymałości stopu AlSi12 po obróbce mieszanką złożoną z Na 2 B 4 O 7 na poziomie wyższym (%) oraz NaNO ) i Mg zgodnie z zakresem zmian przedstawiono na rys. a. Najniższą R m =198 MPa otrzymano po obróbce stopu składnikami zmiennymi na poziomie niższym. Tak wysoka wytrzymałość może być udziałem Na 2 B 4 O 7 występującym na poziomie wyższym zmian (tab. 1). Po zwiększeniu udziału w mieszance Mg do poziomu wyższego odnotowano proporcjonalny wzrost wytrzymałości do 204 MPa. Zwiększając dalej zawartość NaNO do poziomu wyższego stwierdzono obniżenie wytrzymałości do 198 MPa. Przy udziale Mg na niższym poziomie (%), ze wzrostem ilości NaNO stwierdzono wzrost wytrzymałości ze 198 do 206 MPa. Po obróbce stopu AlSi12 mieszanką ze składnikiem Na 2 B 4 O 7 na stałym poziomie niższym (%) i dwoma pozostałymi składnikami zmiennymi na poziomie niższym stwierdzono wytrzymałość na poziomie 178 MPa (rys. b). Przedstawiony na

4 07 tym rysunku wykres zmian analizowanego parametru posiada analogiczny przebieg warstwic jak na rys. 2b, w którym zamiast NaNO występuje Na 2 B 4 O 7. Porównując oba te rysunki stwierdzono, podobne oddziaływanie składników NaNO i Na 2 B 4 O 7, przy czym wpływ boraksu jest intensywniejszy. Sam charakter zmian wytrzymałości na rozciąganie w obu układach jest bardzo zbliżony Rys. 2. Wytrzymałość na rozciąganie (Rm) stopu AlSi12 po obróbce Na 2 B 4 O 7 <, > [%], Mg <, > [%], a. NaNO =%, b. NaNO =%. Fig. 2. Tensil strenght (Rm) AlSi12 alloy after treatment Na 2 B 4 O 7 <, > [%], Mg <, > [%],a. NaNO =%, b. NaNO =%. Analizując przebieg zmian wytrzymałości Mg na poziomie wyższym oraz NaNO i Na 2 B 4 O 7 zgodnie z zakresem zmian (tab. 1) stwierdzono najniższą w tym układzie zmiennych wytrzymałość R m =181 MPa, przy udziale NaNO i Na 2 B 4 O 7 na poziomie niższym (%) rys. 4a. Wzrost wytrzymałości o 11% do 200 MPa odnotowano po zwiększeniu udziału NaNO w mieszance do poziomu wyższego (%). Podobną zmianę stwierdzono dla Na 2 B 4 O 7, z tym że otrzymana wielkość jest nieco wyższa o 1% i wynosi 204 MPa. Dla obu czynników zmiennych, w tym układzie, na poziomie wyższym wytrzymałość wynosi 198 MPa. Analizując rozkład warstwic stwierdzono, że Na 2 B 4 O 7 intensywniej oddziałuje na zmianie wytrzymałości niż NaNO. Dla udziału boraksu ok. % wytrzymałość (przy Mg na poziomie wyższym) nie zależy od udziału NaNO. Wytrzymałość stopu AlSi12 po obróbce Mg na poziomie niższym (tab. 1) oraz NaNO Na 2 B 4 O 7 <, > [%] przedstawiono na rys. b. Przy udziale NaNO i Na 2 B 4 O 7 na poziomie niższym stwierdzono wytrzymałość R m =178 MPa. Po zwiększeniu udziału NaNO do poziomu wyższego odnotowano wprost proporcjonalny wzrost R m o 5% do 187 MPa, tj. 9 MPa, natomiast przy udziale NaNO na poziomie niższym (%) i Na 2 B 4 O 7 na poziomie wyższym (%) wytrzymałość wzrosła o 20 MPa, zatem ponad dwukrotnie więcej niż przy zmianie NaNO. Dla obu parametrów zmiennych tego układu biorących udział w mieszance na poziomie wyższym odnotowano wzrost wytrzymałości do 206 MPa. Gradient wytrzymałości dla tego

5 08 układu jest proporcjonalny. Jednak intensywność wpływu Na 2 B 4 O 7 jest większa niż NaNO. Potwierdza to poprzednie spostrzeżenia Rys.. Wytrzymałość na rozciąganie (R m ) stopu AlSi12 po obróbce NaNO <, > [%], Mg <, > [%], a. Na 2 B 4 O 7, =%, b. Na 2 B 4 O 7, =%. Fig.. Tensil strenght (R m ) AlSi12 alloy after treatment NaNO <, > [%], Mg <, > [%], a. Na 2 B 4 O 7, =%, b. Na 2 B 4 O 7, =% Rys. 4. Wytrzymałość na rozciąganie (R m ) stopu AlSi12 po obróbce NaNO <, > [%], Na 2 B 4 O 7 <, > [%], a. Mg=%, b. Mg=%. Fig. 4. Tensil strenght (R m ) AlSi12 alloy after treatment NaNO <, > [%], Na 2 B 4 O 7 <, > [%],a. Mg=%, b. Mg=%. 4. PODSUMOWANIE Analizując wpływ poszczególnych składników mieszanki na wytrzymałość stwierdzono, że najkorzystniej oddziałuje Na 2 B 4 O 7. Jego wpływ na R m częściowo sumuje się z wpływem każdego z dwóch pozostałych składników mieszanki. Przy wszystkich trzech zmiennych występujących jednocześnie na poziomie wyższym nie stwierdzono wzrostu wytrzymałości obrobionego stopu do wielkości najwyższej jaką

6 09 uzyskano. Najwyższą wielkość R m =206 MPa otrzymano dla udziału NaNO i Na 2 B 4 O 7 na poziomie wyższym zmian, ale przy udziale trzeciego czynnika, którym był magnez, na poziomie niższym. Wpływ NaNO na wytrzymałość jest podobny do wpływu Na 2 B 4 O 7 lecz o nieco niższej intensywności oddziaływania. Stwierdzono, że oba te czynniki dobrze ze sobą współdziałają. Nie można tego powiedzieć o magnezie, który wpływa wprost proporcjonalnie na wytrzymałość stopu w przypadku gdy chociaż jeden z dwóch pozostałych czynników występuje w ilości zbliżonej do poziomu niższego. Przy NaNO i Na 2 B 4 O 7 na poziomie wyższym określono oddziaływanie Mg na wytrzymałość jako odwrotnie proporcjonalne do jego udziału. Analizując zmiany we wszystkich sześciu układach (rys. 2-4) stwierdzono podobieństwo formy warstwic dla stałego udziału jednego ze składników na poziomie wyższym (rys. 2a, rys. a i rys. 4a). Podobną zależność stwierdzono przy stałym udziale jednego ze składników na poziomie niższym (rys. b, b i 4b). LITERATURA [1] S. Borkowski, R. Ulewicz, J. Selejdak: Materiałoznawstwo dla ekonomistów. WNT Warszawa (2005). [2] Liao H., Sun Y., Sun G., Correlation between mechanical properties and amount of dendritic α-al phase in as-cast near eutectic Al-11.6%Si alloys modified with strontium. Material Science and Engineering A5, 2002, p.p [] Makidhara K.R., On the formation necks in an Al-1%Si eutectic alloy. Material Science and Egineering A197, 1995, p.p. L5-L8. [4] Ognita K., Knuutinen A., Mc Donald S.D., Dahle A.K., Mechanism of eutectic solidification in Al-Si alloys modified with Ba, Ca, Y and Yb. Journal of Light Metals I, 2001, p.p [5] Xiunfang B., Weimin W., Jingyu Q., Liquid structure of Al-12.5%Si alloy modified by antimony. Materials Characterization 46, 2001, p.p TENSILE STRENGTH CONTROL OF AlSi12 ALLOY WITH THE AID EXOTHERMIC MIXTURE TREATMENT SUMMARY The experiments were conducted on alloy AlSi12, following a factor design 2 for independent variables. Mixtures composed of NaNO, Na 2 B 4 O 7, and Mg were used for alloy treatment. The amount of a reducing agent (Mg) necessary to carry out the process was calculated on the basis of chemical reactions. The mass fraction (weight in weight concentration) of individual variables is presented in Table 1. Results of study present by graphical forms. Figures 2-4 present tensile strength (Rm) for each variable, at extreme (lower or higher) levels of the other two. The research showed influence of mixtures compositions witch additional (tab.1) on tensile strength AlSi12 alloy. Recenzował Prof. Stanisław Borkowski