MODYFIKACJA STOPU AlZn5Mg

Transkrypt

1 79/ rchives of Foundry, Year 006, Volume 6, rchiwum Odlewnictwa, Rok 006, Rocznik 6, Nr PN Katowice PL ISSN MODYFIKCJ STOPU lzn5mg. ZYSK 1, Z. KONOPK, M.ŁĄGIEWK 3,. BOBER, S. NOCUŃ 5 Katedra Odlewnictwa Politechniki Częstochowskiej, al. rmii Krajowej 19, -00 Częstochowa STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki badań wpływu modyfikatora tytano-borowego na krzepnięcie, strukturę i własności mechaniczne stopu lzn5mg. Efekty procesu modyfikacji oceniono na odlewach próbek w stanie lanym i po utwardzaniu dyspersyjnym. Ustalono optymalną zawartość zaprawy modyfikującej lti5b1 ze względu na wytrzymałość duralu cynkowego. Key words: aluminium alloys, modification, solidification, mechanical properties. 1. WPROWDZENIE W grupie stopów aluminium utwardzanych wydzieleniowo najwyższe własności wytrzymałościowe posiadają stopy serii 7000 (l-zn-mg, l-zn-mg-cu). Znalazły one szerokie zastosowanie jako materiał konstrukcyjny w przemyśle lotniczym, kolejowym, samochodowym, wykonywane są z nich dźwigary mostów i dróg, opancerzenia samochodów, kriogeniczne zbiorniki ciśnieniowe, itp. [1,]. Drugim istotnym czynnikiem wpływającym na dość dużą popularność stopów l-zn-mg jest łatwości spawania. W odróżnieniu od innych stopów aluminium utwardzanych wydzieleniowo stopy serii 7000 nie są wrażliwe na szybkość chłodzenia podczas przesycania [3]. Można je utwardzać zarówno na zimno jak również na gorąco. Podczas starzenia stopów l-zn-mg metastabilne fazy dyspersyjne wydzielają się w następującej 1 dr inż., zyska@mim.pcz.czest.pl dr hab. inż., konopka@mim.pcz.czest.pl 3 dr inż., cis@mim.pcz.czest.pl mgr inż., agga@mim.pcz.czest.pl 5 mgr inż.,

2 583 sekwencji []: przesycony roztwór α strefy GP faza η η(mgzn ) T((lZn) 8 Mg 3 ). Strefy GP w klasycznych duralch (l-cu) występuje w postaci płaskich koherentnych krążków [5-7], natomiast w stopach l-zn oraz l-zn-mg przyjmują najczęściej postać kulistą [8-10]. Wysokie własności wytrzymałościowe w niskich temperaturach oraz w temp. 5 0 C zapewniają dyspersyjne cząstki fazy η lub strefy GP. W podwyższonych temperaturach następuje duży spadek wytrzymałości, co jest główną wadą durali cynkowych. Istotny wpływ na efektywność obróbki cieplnej stopów lznmg ma struktura pierwotna odlewu, która z kolej jest uzależniona od zbiegów rafinacji i modyfikacji, warunków krzepnięcia, segregacji dodatków stopowych, ilości i rodzaju zanieczyszczeń, itp. Celem niniejszej pracy była ocena modyfikującego oddziaływania zaprawy tytano-borowej na stop lzn5mg, zbadanie wpływu ilości modyfikatora (0,%-1,6%lTi5B1) na kinetykę krzepnięcia stopu oraz stopień rozdrobnienia struktury. Wyznaczenie optymalnej zawartości modyfikatora tytano-borowego ze względu na własności mechaniczne stopu w stanie lanym i po obróbce cieplnej.. MTERIŁ I METODYK BDŃ Do badań zastosowano znormalizowany stop EN C-lZn5Mg o składzie chemicznym: 5,5% Zn, 0,5% Si, 0,70% Fe, 0,5%Cu, 0,0% Mn, 0,35% Cr, 0,0% Ni, l-reszta. Metal topiono i modyfikowano w elektrycznym piecu indukcyjnym w tyglu karborundowym. Stop modyfikowano zaprawą lti5b1 w temperaturze C, zmieniając jej zawartość na poziomach 0., 0.8, 1. i 1.6 %. Badania procesu krzepnięcia wykonano metodą TD na stanowisku Crystaldigraph PC, odlewając w każdym wytopie dwie próbki w kształcie walca o średnicy 6 mm. W środku cieplnym próbek umieszczono termoelementy płaszczowe NiCr-Nil. Rejestrację temperatury dokonywano w zakresie C przy czasie próbkowania 1s. Odlewy próbek do badań własności mechanicznych wykonano w formach piaskowych według normy PN-88/H Ilościową analizę strukturalną przeprowadzono metodą Jeffriesa-Sałtykowa, przy użyciu oprogramowania CSS MULTI SCN BSE Zabiegi przesycania i starzenia wykonano w elektrycznym piecu komorowym sterowanym mikroprocesorowym regulatorem temperatury z serii FCS-00. Przesycanie odbywało się w temperaturze C przez 50 godziny, po czym chłodzono próbki w wodzie o temperaturze 5 0 C. Zabieg starzenia sztucznego przeprowadzono w temperaturze 10 0 C przez 8 godzin. 3. WYNIKI BDŃ Wpływ ilości zaprawy modyfikującej na przebieg krzepnięcia stopu lzn5mg oraz stopień rozdrobnienia struktury pierwotnej odlewów zaprezentowano na rysukach 1-. Rys. 1 przedstawia przykładowe krzywe stygnięcia i krzepnięcia stopu wraz z interpretacją charakterystycznych temperatur (1-T kr temperatura początku

3 58 krystalizacji, - T maksymalny stopień przechłodzenia) stosowanych do oceny modyfikacji. Modyfikator tytano-borowy zmienia kinetykę krzepnięcia badanego stopu, powoduje wzrost temperatury krzepnięcia (rys. ) oraz zmniejsza stopień przechłodzenia (rys. 3). Temperatura początku krzepnięcia zwiększa się proporcjonalnie do ilości zaprawy modyfikującej od 6 0 C do C, natomiast T wykazuje zależność odwrotną, zmniejszając się z 11 0 C dla stopu niemodyfikowanego do 0 C przy ilości zaprawy modyfikującej na poziomie 1,6%. Wprowadzone łącznie pierwiastki Ti i B tworzą związek modyfikujący TiB, który podobnie jak w innych stopach aluminium stanowi podłoże do zarodkowania pierwotnych kryształów fazy α, przez co zwiększa się gęstość ziarn. Charakterystykę rozdrobnienia ziarnowej struktury stopu lzn5mg oszacowaną na podstawie ilościowych badań metalograficznych wraz z przykładowymi strukturami przedstawiono na rys. 3 i. Parametr N, stosowany do oceny stopnia rozdrobnienia struktury, zwiększa się od wartości 16 (ziaren/mm ) dla stopu niemodyfikowanego do 9 (ziaren/mm ) dla stopu modyfikowanego zaprawą w ilości 1,6%, co stanowi blisko dwukrotne zwiększenie liczby ziaren dt/dt Temperatura, 0 C T(t) 65 0 C - -3 Szybkość stygnięcia, 0 C/s Czas, s Rys. 1. Krzywa stygnięcia (T(t)) i jej pochodna (dt/dt) stopu lzn5mg. Fig. 1. The solidification curve T (t) and its derivative dt/dt for lzn5mg alloy.

4 585 a) b) 65 1 Temperatura począ tku krzepnię cia T Kr, 0 C Przechłodzenie T, 0 C Rys.. Wpływ ilości zaprawy modyfikującej na: a) temperaturą początku krzepnięcia, b) stopień przechłodzenia stopu lzn5mg. Fig.. The influence of the quantity of modifier on: a) the temperature of the solidification beginning, b) the degree of the lznmg alloy undercooling. 3 8 Gęstość ziaren N, 1/mm Rys. 3. Wpływ ilości zaprawy modyfikującej na gęstość ziaren ( N ). Fig. 3. The influence of the quantity of modifier on the quantity of grains ( N ).

5 586 a) N =15, 6 S ( N ) =, Liczność Liczba ziaren na mm b) N = 6, S ( N ) = 1, 90 Liczność Liczba ziaren na mm Rys.. Struktura stopu lzn5mg przy pow. 50x oraz rozkład ilości ziaren (N ) na analizowanych powierzchniach zgładu: a) stop niemodyfikowany, b) modyfikowany zaprawą lti5b1-1,%. Fig.. The lzn5mg alloy structure at the magn. of 50 and the distribution of grain size (N ) on the examined areas of cross-sections: a) the non-modified alloy, b) the alloy modified with lti5b1 master alloy 1,%. Wpływ modyfikacji na własności mechaniczne duralu cynkowego w stanie lanym i po obróbce cieplnej zilustrowano na rys. 5. W badanym zakresie zmian modyfikatora stwierdzono optymalną ilość zaprawy na poziomie 1,%. Przy tej zawartości stop lzn5mg wykazuje najwyższą wytrzymałość w stanie lanym i po zabiegach przesycania ze starzeniem. Wytrzymałość stopu przed obróbką cieplną wynosiła ok. 3 MPa i w wyniku zabiegu cieplnego wzrosła do wartości MPa, co stanowi przyrost o ok. 90%. W przypadku stopu niemodyfikowanego w stanie lanym wytrzymałość kształtowała się na poziomie 195 MPa i po utwardzeniu dyspersyjnym

6 587 wzrosła do wartości 33 MPa. Dokonując oceny wpływu modyfikacji na efektywność utwardzania dyspersyjnego stopu lzn5mg stwierdzono, że modyfikator tytanoborowy wprowadzony w postaci zaprawy lti5b1 w ilości 1,% powoduje wzrost wytrzymałości (R m ) o 30%. a) 0 b) R 0, R m, MPa 00 Wydłużenie 5, % c) 80 d) R m, MPa 00 Wydłużenie 5, % Rys. 5. Zmiana własności mechanicznych stopu lzn5mg w zależności od ilości zaprawy modyfikującej: a-b) - w stanie lanym, c-d) - po utwardzaniu dyspersyjnym. Fig 5. The change of mechanical properties of lzn5mg alloy depending on the quantity of modifying master alloy: a-b) the as-cast alloy c-d) the alloy after dispersion hardening.

7 588. STWIERDZENI I WNIOSKI Zaprawa tytano-borowa skutecznie modyfikuje ziarnową strukturę stopu l-zn-mg. Badany modyfikator zmienia kinetykę krzepnięcia stopu, proporcjonalnie do ilości wprowadzanego modyfikatora następuje wzrost temperatury krystalizacji z 6 0 C do C, oraz zmniejsza się stopień przechłodzenia z 11 0 C do 0 C. Wprowadzone pierwiastki Ti i B w proporcji 5:1 oddziaływają zarodkotwórczo na pierwotne kryształy fazy α. Wraz ze wzrostem ilości modyfikatora wzrasta gęstość ziaren i przy maksymalnej jego ilości, stosowanej w badaniach, parametr N zwiększa się dwukrotnie. Optymalne własności mechaniczne (R m =3 MPa, 5 =9,8%) stopu lzn5mg w stanie lanym uzyskuje się przy modyfikacji zaprawą tytano-borową w ilości 1,%. Następuje wówczas wzrost wytrzymałości na rozciąganie o 0% i wydłużenia o 150% w stosunku do stopu niemodyfikowanego. Rozdrobnienie struktury stopu l-zn-mg wpływa korzystnie na zabieg utwardzania dyspersyjnego. Modyfikowany dural cynkowy po przesycaniu i starzeniu charakteryzuje się wyższymi parametrami mechanicznymi i większym ich przyrostem niż stop niemodyfikowany. Stop lzn5mg modyfikowany zaprawą lti5b1 (1,%) - R m - MPa, przyrost R m =90%, stop niemodyfikowany R m - 33 MPa, przyrost R m =76%. LITERTUR [1] P.K. Ghosh, S.R. Gupta, P.C. Gupta, R. Rathi, Fatigue characteristics of pulsed MIG welded l Zn Mg alloy, J. Mater. Sci. 6 (1991) [] I.B. Robinson, F.R. Baysinger, Welding aluminium alloy 7039, Weld-ing J. 5 (1966) 33. [3] G.D. Janaki Ram, T.K. Mitra, V. Shankar, S. Sundaresan, Journal of Materials Processing Technology 1 (003) [] G.W. Lorimer, in: K.C. Russell, H.I. aronson (Eds.), Precipitation Processes in Solids, The Metallurgical Society of IME (1978) [5] D.R. Haeffner, J.B. Cohen, cta Metall. 0 (199) 831. [6].K. Mukhopadhyay, Q.B. Yang, S.R. Sing, cta Metall. (199) [7] M. Karlik, B. Jouffrey, cta Mater. 5 (1997) 351. [8] L.F. Mondolfo, Int. Metall. Rev. 153 (1971) 95. [9] I.J. Polmear, Light lloys, Metall. and Mater. Sci. Series, 3rd Edition, London (1995). [10] S.K. Maloney, K. Hono, I.J. Polmear, S.P. Ringer, Scr. Metall. 1 (1999) 1031.

8 589 MODIFICTION OF lzn5mg LLOY SUMMRY The paper presents the results of examinations of titanium-boron modifier influence on the structure and mechanical properties of lzn5mg alloy. The effect of modification process has been estimated on as-cast samples and samples after dispersion hardening. The optimum content of modifying master alloy lti5b1 has been determined with regard to the mechanical strength of the zinc duralumin. Recenzował Prof. Jan Szajnar