ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA SILUMINÓW WIELOSKŁADNIKOWYCH

Transkrypt

1 75/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA SILUMINÓW WIELOSKŁADNIKOWYCH R. WŁADYSIAK 1 Politechnika Łódzka, Katedra Systemów Produkcji, ul. Stefanowskiego 1/15, ŁÓDŹ, STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań dylatometrycznych siluminów z dodatkami magnezu niklu i miedzi w stanie surowym i po obróbce cieplnej. Stwierdzono, że bad a- ne siluminy posiadają histerezę zmian współczynnika rozszerzalności cieplnej liniowej pomiędzy nagrzewaniem i chłodzeniem oraz zmienną intensywność rozszerzalności cieplnej. Cechy te ulegają zmniejszeniu w wyniku obróbki cieplnej z wielokrotnym starzeniem. Key words: silumin, TDA, linear expansion, heat treatment, hysteresis. 1. WSTĘP Ze względu na zmęczeniowy charakter pracy przy dużych obciążeniach mech a- nicznych i zmiennych w szerokim zakresie temperatury obciążeniach cieplnych, wytwarzane tłoki, głowice i korpusy silników spalinowych wymagają wysokowytrzymałych siluminów o dużej stabilności własności mechanicznych oraz wymiarowej w zakresie temperatury pracy. Rozszerzanie cieplne metali i stopów powodowane jest niesymetrycznością sił międzyatomowych w sieci krystalicznej, na którą wpływa szereg czynników: naprężenia w materiale, defekty kryształów i obecność atomów pierwiastków składowych stopu i istniejący w odlewie stan przesycenia roztworu stałego [1, 2]. Celem pracy jest poznanie: wartości, przebiegu zmienności w funkcji temperatury oraz możliwości zmniejszenia współczynnika rozszerzalności cieplnej odlewów wytwarzanych z siluminów wieloskładnikowych z dodatkami magnezu, niklu i miedzi. 1 dr inż., rwlady@mail.p.lodz.pl

2 METODYKA BADAŃ Skład chemiczny badanych siluminów przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanych siluminów Table 1. Chemical composition of researched silumins Skład chemiczny, % Lp. Si Mg Cu Ni Mn Fe Ti 1 11,62 1,01 1,11 1,10 <0,2 <0,5 <0,2 2 12,44 1,10 1,51 0,92 <0,2 <0,6 <0,1 3 16,96 0,93 1,05 3,32 <0,6 <0,8 <0,2 Badaniom poddano siluminy: podeutektyczny i okołoeutektyczny oznaczone w tablicy numerami 1 i 2 oraz silumin nadeutektyczny - nr 3. Siluminy zawierały w swoim składzie magnez, miedź i nikiel w ilości około 1%. Jedynie silumin nr 3 zawierał zwiększoną do 3,32% ilość niklu. Siluminy modyfikowano fosforem, tytanem i borem oraz rafinowano argonem. Badanie współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej α przeprowadzono poddając próbki siluminów procesowi nagrzewania z temperatury 100 o C do 300 o C oraz chłodzeniu ponownie do temperatury 100 o C. Części silników spalinowych jak głowice oraz tłoki pracują w zakresie temperatury otoczenia do 300 o C. Dokładność badań dylatometrycznych określana jest od temperatury 100 C stąd wyżej opisany zakres temperatury prowadzonych badań. Badania próbek w stanie surowym i po obróbce cieplnej wykonano przy użyciu Dylatometru Automatycznego DA-2 firmy Z-TECH. Proces obróbki cieplnej składał się z przesycania polegającego na nagrzaniu odlewu do temperatury 500 o C, wygrzewanie przez 4h i studzeniu w wodzie oraz starzenia przez 8h w temperaturze 250 o C i powolnym studzeniu z piecem. Przeprowadzono również proces drugiej obróbki cieplnej polegającej tylko na starzeniu tj. wygrzewaniu materiału przez 8h w temp 250 o C i powolnym studzeniu z piecem. 3. WYNIKI BADAŃ Mikrostrukturę i krzywe analizy współczynnika siluminu nr 1 pokazano na rysunku 1. Silumin ten krystalizuje jako podeutektyczny a jego mikrostruktura składa się z tworzonych kolejno: dendrytów fazy i eutektyk: +, +Mg 2 Si+, + Al 3 Ni+ i +Al 2 Cu+. Charakterystyki współczynnika podczas nagrzewania i chłodzenia w zakresie temperatury C przecinają się kilkakrotnie. Prawdopodobnie jest to powodowane zapoczątkowaniem procesów wydzieleniowych faz przejściowych już w temperaturze około 150 C. Wydzielanie faz podczas nagrzewania powoduje

3 552 chwilowy wzrost intensywności wydłużania próbki natomiast przy ochładzaniu powoduje gwałtowne skrócenie. W rezultacie w wyniku przesycenia roztworu atomami Mg, Ni, Cu, Si charakterystyka rozszerzalności cieplnej składa się z obszarów o różnej intensywności. a) b), 10-6 K ,3; 15,8 grzanie chłodzenie 200,7; 17,9 200,5; 17,4 290,2; 18,7 290,4; 18, ,6; 15, t, o C Rys. 1. Mikrostruktura (x400) a) i krzywe analizy współczynnika rozszerzalności cieplnej siluminu nr 1 podczas nagrzewania i chłodzenia po przesycaniu i starzeniu. Fig. 1. Microstructure (x400) a) and linear expansion coefficient analysis curves b) of silumin No 1, as-cast condition, during heating and cooling. Współczynnik α przyjmuje wartości z zakresu 15,5 18,7 x10-6 K -1. Jego histereza zmienia się w dużym zakresie osiągając maksymalną wartość =1,2 x10-6 K -1

4 553 w temperaturze 229 C. Zmiana intensywności przebiegu współczynnika wraz z temperaturą występuje podczas nagrzewania w temperaturze 176 C a podczas chłodzenia w temperaturze ok. 230 C. Na rysunku 2 przedstawiono mikrostrukturę oraz wyniki badań współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej siluminu nr 2. a) b) chłodzenie grzanie 290; 20,2, 10-6 K ; 18,2 291; 19, ; 16,8 200; 18, ; 16, t, C Rys. 2. Mikrostruktura pow. x 400 a) i krzywe analizy współczynnika rozszerzalności cieplnej siluminu nr 2 w stanie surowym podczas nagrzewania i chłodzenia Fig. 2. Microstructure (x400) a) and linear expansion coefficient analysis curves b) of silumin No 2 as-cast condition, during heating and cooling.

5 554 Mikrostruktura badanego siluminu składa się z dendrytów fazy eutektyki podwójnej + oraz powodowanych obecnością magnezu, niklu i miedzi eutektyk potrójnych +Mg 2 Si+, + Al 3 Ni+ i +Al 2 Cu+. Krzywe grzania i chłodzenia w zakresie temperatury C przebiegają blisko siebie. Współczynnik α w zakresie temperatury C przyjmuje odpowiednio wartości 16,7 20,2 x10-6 K -1. Średnia wartość histerezy wynosi =0,11 x10-6 K -1. Przebieg obu charakterystyk w przeważającej części jest odpowiednio ciągłym wzrostem lub zmniejszaniem współczynnika α w funkcji temperatury. W temperaturze 246 C na krzywej chłodzenia występuje zmiana intensywności zmniejszania się współczynnika wraz z obniżaniem temperatury. Silumin ten w porównaniu z siluminem nr 1 charakteryzuje się mniejszą maksymalną histerezą, co prawdopodo b- nie jest wynikiem większej intensywności procesów wydzieleniowych uzasadnionych zwiększonymi ilościami magnezu i miedzi w stosunku do siluminu nr 1. Wyniki badań siluminu nadeutektycznego w stanie surowym przedstawiono na rysunku 3. Struktura siluminu zawiera przedeutektycznie wydzielone kryształy ścianowe fazy (krzemu) oraz krystalizujące następnie eutektyki: +, +Mg 2 Si+, + Al 3 Ni+ i +Al 2 Cu+. Krzywe zmian współczynnika podczas nagrzewania i chłodzenia w funkcji temperatury wykazują niestabilny przebieg zarówno dla zakresów: C i C wartości temperatury. Współczynnik α przyjmuje wartości 14,4 18,6 x10-6 K -1, co oznacza zmniejszenie zakresu zmienności i obniżenie maksymalnej wartości w porównaniu z siluminami 1 i 2. Maksymalna histereza zmian występuje w temperaturze 229 C osiągając wartość =1,1 x10-6 K -1. Zmiana intensywności przebiegu współczynnika wraz z temperaturą występuje zarówno podczas nagrzewania jak i chłodzenia w temperaturze ok. 243 C. Badane siluminy poddano dwukrotnie obróbce cieplnej. Pierwotnie wyko nane przesycanie i starzenie spowodowało, jak to pokazano na rysunku 4 przykładowo dla siluminu nr 3, zmianę mikrostruktury w wyniku koalescencji i koagulacji faz wydzielonych przedeutektycznie jak i w eutektyce. Na charakterystykach współczynnika badanych siluminów wystąpiło zmniejszenie zakresu jego zmian, przykładowo dla siluminu n adeutektycznego = 14,7 17,4 x10-6 K -1, oraz wzrost stabilności przebiegu współczynnika. Jego charakter po obróbce cieplnej szczególnie dla zakresu chłodzenia najlepiej op i- suje linia prosta. Ponowne przeprowadzenie starzenia badanych siluminów (250 C/8h) spowodowało niewielkie, lecz dalsze zwiększenie stabilności przebiegu charakterystyk współczynnika i zmniejszenie histerezy zmian pomiędzy nagrzewaniem i chłodzeniem siluminu. Jak wynika z przeprowadzonych badań siluminy okołoeutektyczne (nr 1 i 2) charakt e- ryzują się większymi wartościami współczynnika (15,5 20,2 x10-6 K -1 ) w badanym zakresie temperatury niż silumin nadeutektyczny (14,4 18,6 x10-6 K -1 ). Każdy z badanych stopów szczególnie w stanie surowym wykazuje w zakresie temperatury C zmianę intensywności przebiegu charakterystyki współczynnika.

6 555 a) b) Rys. 3. Mikrostruktura (x400) a) i krzywe analizy współczynnika rozszerzalności cieplnej siluminu nr 3 w stanie surowym podczas grzania i chłodzenia Fig. 3. Microstructure (x400) a) and linear expansion coefficient analysis curves b) of silumin No 3 as-cast condition, during heating and cooling. Mniejsza wartość współczynnik rozszerzalności cieplnej badanego siluminu nadeutektycznego zawierającego 16,96% Si, 0,93% Mg, 1,05% Cu, 3,32% Ni prawdopodobnie spowodowana jest przede wszystkim hamującym działaniem krzemu. Z porównania współczynnika aluminium ( 200 =26 x10-6 K -1 ) i krzemu ( 200 =3,3 x10-6 K -1 ) [1] wynika, że krzem posiada kilkakrotnie mniejszą rozszerzalność cieplną niż aluminium. Jego obecność powoduje, że faza podlega ściskaniu. Siły ściskające rosnąc wraz z temperaturą powodują odkształcenie plastyczne fazy.

7 556 Natomiast podczas ochładzania skurcz roztworu nie jest w stanie zrekompensować odkształceń plastycznych dając w rezultacie wewnętrzny stan naprężeń rozciągających i wzrost histerezy współczynnika. a) b) a, 10-6 K chlodzenie grzanie 201; 16,5 105; 14,7 201; 16,2 290; 17,4 290; 17, ; 14, t, o C Rys. 4. Mikrostruktura (x400) a) i krzywe analizy współczynnika rozszerzalności cieplnej siluminu nr 3 podczas nagrzewania i chłodzenia po przesycaniu i starzeniu Fig. 4. Microstructure (x400) a) and linear expansion coefficient analysis curves b) of silumin No 3 during heating and cooling of quench ageing sample Dodatkowo z przeprowadzonych badań wynika, że w siluminach wieloskładnikowych istotny wpływ na współczynnik i jego histerezę wywierają fazy Al 2 Cu, Al 2 (MgCu) i Mg 2 Si oraz przesycenie roztworu stałego pierwiastkami Si, Mg, Cu, Ni, Fe w siluminie spowodowane szybkim stygnięciem w kokilach podczas odlewania. Wobec tego zmiana intensywności rozszerzalności cieplnej w temperaturze C jest równoznaczna z zakresem wydzielania się z roztworu maksymalnej ilości faz

8 557 międzymetalicznych: przejściowych, i równowagowych zawierających Si, Mg, Ni i Cu. Zastosowana obróbka cieplna prowadząc do wcześniejszego wydzielenia się st a- bilnych faz międzymetalicznych daje wzrost stabilności charakterystyki współczynnika i zmniejszenie jego histerezy. Zagadnienie to jest szczególnie ważne dla siluminów przeznaczonych odpowiedzialne części maszyn cieplnych takich jak elementy silników spalinowych. Ich wzrost stabilności wymiarowej pozwala podwyższyć dokładność wykonania wpływając bezp o- średnio na wzrost osiągów i wydłużenie stabilnej eksploatacji maszyny. 4. WNIOSKI Z przedstawionych badań wynikają następujące wnioski: nadeutektyczny silumin wieloskładnikowy posiada mniejszy współczynnik rozszerzalności cieplnej niż siluminy okołoeutektyczne, siluminy z dodatkami magnezu, niklu, miedzi posiadają histerezę rozszerzalności cieplnej pomiędzy nagrzewaniem i chłodzeniem, obróbka cieplna: przesycanie i starzenie prowadzi do stabilizacji rozszerzalności cieplnej siluminu w zakresie temperatury C, zminimalizowanie histerezy współczynnika można uzyskać przez obróbkę cieplną z wielokrotnym starzeniem w podwyższonej temperaturze. LITERATURA [1] Pietrowski S.: Siluminy. Podręczniki akademickie, Wydawnictwo PŁ, Łódź, [2] Pietrowski S., Władysiak R., Pisarek B.: Materiały na tłoki o różnych parametrach oraz ich badania strukturalne. Praca badawcza zlecona przez Instytut Lotnictwa w Warszawie, Łódź, 1993 SUMMARY LINEAR EXPANSION OF MULTICOMPONENT SILUMINS The results of investigation of silumins with Mg, Ni, Cu additives after single and double heat treatment with dilatometric method were presented at the paper. It was found that researched silumins have a hysteresis of linear expansion coefficient between heating and cooling curves and variable insity of thermal expans ion. These features can be reduced by heat treatment with multiple artificial ageing. Recenzował Prof. Andrzej Jopkiewicz