Sposób przeprowadzenia badań

Transkrypt

1 20, 1994 Solidification o f Metais and Alloys Krzepnięcie Metali i Stopów PL ISSN ,, WPŁ YW CISNIENIA NA STRUKTURĘ I WŁASNOSCI WYBRANYCH STOPÓW MIEDZI BARBARA WIERZBICKA Politechnika Częstochowska, Częstochowa Badano wpływ ciśnienia na strukturę i własności stopów M059, BA1032 i BIO. Wykonano walcowe odlewy o wymiarach d = 60 mm i h = 95 mm krzepnące bez oddziaływania ciśnienia i pod ciśnieniem 170 MPa. Stwierdzono, że oddziaływanie ciśnienia na krzepnący stop powoduje rozdrobnienie struktury, pojawienie s ię fazy martenzytycznej w stopie BA1032, wzrost udziału fazy J3' w stopie M059. Ustalono także, że ciśnienie powoduje wzrost gęstości dyslokacji w prasowan)'m stopie M059. Efektem zmian struktury w odlewach krzepnących pod ci ś nieniem jest podwyższenie własności mechanicznych. Wstęp Efekt oddziaływania ciśnienia na krzepnący metal jest wykorzystywany w takich technologiach odlewniczych, jak: odlewanie pod ciśnieniem, prasowanie w stanie c i e kł ym (squeeze casting). Technologie te s ą stosowane głównie podczas wykonywania odlewów ze stopów aluminium, czę ściowo również magnezu i cynku. W dużo mniejszym stopniu jest rozpoznany wpływ ciśnienia na s trukturę i własności stopów wysokotopliwych, w tym stopów miedzi. Stąd też niniejsze opracowanie dotyczy zagadnienia krzepnięci a pod ciśnieniem tych ostatnich stopów. Zmiana struktury metali i stopów, krzepnących przy oddziaływaniu ci ś ni enia, w g łówn ym stopniu przejawia s i ę rozdrobnieniem ziarna. Uzyskany efekt jest zw iązan y ze zmianami warunków odprowadzania c i e pł a z odlewu, wynikającymi z likwidacji szczeliny powietrznej, oraz z atermicznym przechłodzeniem jako rezultatem podw yższeni a temperatury równowagowej krzepnącego tworzywa. R ównocze ś ni e ten nierównowagowy proces krzepnięc ia pod ciśn i en i em m oże powodować zmiany zaw arto śc i składników strukturalnych lu b też

2 178 B. Wierzbicka pojawienie s i ę w strukturze faz nierównowagowych. Próbę oceny występowania tych zjawisk podjęto dla wybranych odlewniczych stopów miedzi. Sposób przeprowadzenia badań Materiał badawczy stanowiły znormalizowane odlewnicze stopy miedzi gat. M059, BAL032 i B LO. Kawałki stopów ciętych z gąski topiono w S-kilogramowym piecu oporowym (własnej konstrukcji) i c iekły metal wlewano do formy metalowej pokrytej powłoką gratitową. Formę ustawiono wcześniej na stole prasy hydraulicznej PHM-250c i natychmiast po wlaniu metalu uruchomiano tłok prasujący. Stosowano ciśnienia prasowania 170 lub 340 MPa. Termoregulator zabezpieczał stałą temperaturę formy; w wykonywanych doświadczeniach była to temperatura 200 C. Utrzymywano stały czas nacisku tłoka (równy 30 s), a także stałą temperaturę przegrzania stopu wynosząca 50 K. Tak więc temperatura ciekłego metalu wynosiła dla: M C AL C BlO C W wyniku przeprowadzonych doświadczeń uzyskano masywne odlewy walcowe o wymiarach: d= 65 mm i h= 105 mm. W celu określenia z.mian własności i struktury odlewów krzepnących pocl ciśnieniem (w dalszej części opracowania nazywanych "odlewami prasowanymi") wykonano porównawcze odlewy krzepnące bez oddziaływania ciśnienia tłokowego ("odlewy grawitacyjne"). Z odlewów wycinano próbki do badań strukturalnych oraz do oceny własności mechanicznych. Wyniki badań i ich ocena Badanie mikrostruktury Oceny mikrostruktury dokonano z użyciem mikroskopu Epiphot tirmy Nikon: z uwagi na oszacowanie ilościowe, przeprowadzone zgodnie z PN-72/H-8792, stosowano powiększenie l OOx. Mikrotwardość faz strukturalnych określono za pomocą mikrotwardościomierza MHT-4 tirmy ANTON PAAR K.S, stosując obciążenie 20 G, prędkość obc i ążenia 10 G/s i czas utrzymywania obciążenia maksymalnego 10 s. Oszacowania udziału fazy a w stopach M059 i B lo dokonano z zastosowaniem automatycznego analizatora obrazu "Magiscan". Uzyskane dane mogą być obarczone pewnym błędem ze względu na problemy związane z elim in acją zanieczyszczeń (stopień szarości zb li żo ny do eutektoidu).

3 Wpływ ciśnienia na strukturę W mikrostrukturze odlewów grawitacyjnych obserwowano składniki strukturalne typowe dla stanu lanego. W mikrostrukturze odlewów prasowanych obserwowano zwiększoną dyspersję składników (tab.l), w przypadku stopów M0 59 i B 10 występowało wyraźne zmniejszenie zawartości fazy a ze wzrostem ci śnienia prasowania (tab. 2), a dla stopu BA1032 widoczne były początki przemiany martenzytycznej (rys. 1). W tabeli l umieszczono także wyniki pomiaru mikrotwardości. W przypadku prasowanego stopu BA1032 oszacowanie mikrotwardości nie było możliwe z uwagi na bardzo dużą dyspersję składników strukturalnych. W strukturze obserwowano cienkie igły charakterystyczne dla przemiany martenzytycznej. Mikrotwardość dendrytów fazy a w stopach B 10 i M0 59 zwiększała się wraz ze wzrostem ciśnienia krzepnięcia. Tabela l. Ocena mikrostruktury badanych stopów zgodnie z PN-72/H-8792 oraz pomiary mikrotwardości fazy a Stopień rozdrobnienia Mikrotwardość fazy a JJ.HV Stop Odlew mikrostruktury (śred nie z 6 pomiarów) (liczba przecięć granic międzyfazowych odcinkiem l mm) M0 59 BA1032 B lo grawitacyjny ,4 prasowany* powyżej grawitacyjny me mierzono z uwagi na duży s topień rozdrobnienia mieszaniny perytektycznej w strukturze odprasowany* powyżej 60 1ewu prasowanego grawitacyjny do prasowany* ,5 * ciśnienie prasowania 170 MPa Tabela 2. Wyniki strukturalnych badań ilościowych Stop, rodzaj odlewu Wielkość mierzona pole fazy a, J..l.m 2 procent fazy a, % M0 59 grawitacyjny ,4 prasowany p = 170 MPa ,6 prasowany p = 340 MPa ,1 B lo grawitacyjny ,7 prasowany p = 170 MPa ,0

4 180 B. Wierzbicka a) h) Rys. l. Mikrostruktura stopu BA1032: a) odlew grawitacyjny, b) odlew prasowany p= 170 MPa; pow. loox Badania własności mechanicznych Na próbkach, w yciętych ze stałych miejsc odlewów, przeprowadzono badania wytrzymałości na ro zciąganie oraz udarności. Uzyskane wyniki zestawiono w tabeli 3. Wytrzymałość na rozciąganie odlewu prasowanego dla wszystkich badanych stopów była w yższa w porównaniu z odlewem grawitacyjnym. Pewnym zaskoczeniem był fakt, że najmniejszy wzrost wytrzymałości zanotowano w przypadku B l O, stopu o szerokim zakresie krzepnięcia. Dość znaczny rozrzut wyników pomiaru sugeruje, że w odlewie prasowanym wysutpiły czynniki obniżające wytrzymałość. Mogły to być przypadkowe

5 Wpływ ci śnienia na strukturę zanieczyszczenia niemetaliczne bądź też nie w pełni usunięta mikroporowatość odlewu. Wcześniej prowadzone obserwacje makrostruktury wykazały, że w niektórych stopach (w tym także cynku) niedostateczne ciśnienie prasowania wywoływało efekt usytuowania s ię porowatości w centralnej części odlewu. Jej pozostałości mogły spowodować zjawisko obniżonej wytrzymałości próbek wytrzymałościowych badanego stopu B lo. Tabela 3. Wybrane własności mechaniczne badanych stopów Stop Odlew Rm, MPa KC. J/cm 2 pomiar średnia pomiar średnia grawitacyjny 195,187 1,74: 2,06 M , ,91; 2,16 1,99 2,09 prasowany* 290,308 2,06; 2,13 306, ,88; 2,12 2,05** 287,277 BA1032 grawitacyjny 500, , prasowany* 598, grawitacyjny 223,230 1,04; 1,01 B lo 230, ,19; ,12 prasowany* l,48; l,35 246, ,27; 1,77 1, * ci ś nienie prasowania 170 MPa ** ró żnica między ud a rnością odlewu prasowanego a grawitacyjnego statystycznie nieistotna Badania struktury dyslokacyjnej Badania przeprowadzono dla mosiądzu M0 59. Cienkie folie przygotowywano techniką elektrapolerowania dwustrumieniowego w H 3 P0 4 nasyconym Cr0, 3 w temperaturze pokojowej przy napięciu od 6 do 9 V. Obserwacje prowadzono w transmisyjnym mikroskopie elektronowym Philips przy napięciu 100 kv. W odlewach grawitacyjnych w fazie a obserwowano dyslokacje o charakterze mieszanym ze znacznym udziałem prostych dyslokacji tworzących początki spiętrzeń w płaszczyźnie (111). Spiętrzenia te układają się w jednym lub trzech kierunkach (rys. 2). Faza W odlewu grawitacyjnego jest zdefektowana w znacznie mniejszym stopniu niż faza a. W pewnych warunkach kontrastu jest widoczne rozdzielenie poszczególnych

6 182 B. Wierzbicka dyslokacji na duże superdyslokacje (rys. 3). Dyslokacje w fazie W są przeważnie silnie powyginane, znacznie krótsze niż w fazie a, a ich rozkład w miarę równomierny bez wyróżnionego kierunku. Rys. 2. Struktura dyslokacyjna fazy a odlewu grawitacyjnego stop,m059; pow. 28 OOOx \~1.1~-.. ł ~ -~ r. _;,...,. 'fi ~....- ""-. V Ął' '\s;.'., :.!'l-.. 'f-.. )&.,,......,...,-J -s }, et ~ ~ ; ~... "l..!f ;; Rys. 3. Struktura dyslokacyjna fazy ~ odlewu grawitacyjnego, stop M059; pow. 28 OOOx W odlewach prasowanych w fazie a dyslokacje również grupują się w płaszczyznach łatwego poślizgu, tworząc przecinające się spiętrzenia wydłużonych dyslokacji. W niektórych ziarnach gę s to ść tych spiętrzeń silnie wzrasta, tworząc sieć (rys. 4) W przypadku większych spiętrzeń obserwuje się ich propagacje także poprzez granice ziarn. W fazie W

7 Wpłvw c i.śnienia na stmkllmr... ten wzrost gęstości dyslokacji jest jeszcze bardziej wyraźny, a dodatkowo obserwuje s i ę dencję do tworzenia niewielkich splotów wzajemnie rów nol eg ł ych (rys. 5). lr3 Rys. 4. Struktura dys lokacyjna fazy a odlewu prasowanego (p= 170 MPa), stop M059: pow. 28 OOOx Rys. 5. Struktura dyslokacyj na fazy W odlewu prasowanego (p = 170 MPa). stop M059: pow. 28 OOOx

8 184 B. Wierzbicka Wnioski l. Na całym przekroju masywnego odlewu prasowanego występowała jednolita, drobnoziarnista struktura. Jest to dowód, że niezależnie od przyśpieszonego odprowadzania ciepła z odlewu krzepnącego pod ciśnieniem, w jego części środkowej występowało zjawisko atermicznego przechłodzenia. 2. Charakter zmian mikrostruktury w odlewach prasowanych jest uzależniony od gatunku stopu. I tak, obok rozdrobnienia obszarów roztworu stałego oraz drugiej fazy, zaobserwowano pojawienie się igieł martenzytu w stopie BA1032 i zwiększenie udziału fazy W w stopie M W wyniku rozdrobnienia wydzieleń składników strukturalnych nastapił wzrost właściwości mechanicznych odlewów prasowanych, w szczególności wytrzymało śc i na rozciąganie. Stosunkowo niewielki wzrost Rm w przypadku stopu B l O mógł być wynikiem niecałkowitego wyeliminowania mikroporowatości odlewu prasowanego. 4. W odlewach wykonanych ze stopu M059 w wyniku odziaływania ciśnienia obserwowano zmiany struktury dyslokacyjnej. Zmiany te objawiły się rozbudowaniem spiętrzeń dyslokacyjnych w fazie a oraz wyraźnym wzrostem gęstości dyslokacji w fazie W. Summary THE EFFECT OF PRESSURE ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF CHOSEN COPPER ALLOYS The effect of pressure on the structure and properties of M059, BA1032 and BlO alloys has been investigated. Cyłindrical samples, 60 mm in diameter and 95 mm in height, have been cast under normai pressure and under the pressure of 170 MPa. lt has been stated that applying of pressure causes refinement of the structure, occuring of the martensitic phase in the BA1032 alloy and the increase of W-phase eontent in the M059 alloy. lt has been also determined that applying of pressure results in the increase of dislocation density in the M059 compressed alloy. The effect of structural changes in the castings solidified under pressure leads to the increase of their mechanical properties.