OCENA WYDŁUŻENIA WZGLĘDNEGO SILUMINU AK7 PO OBRÓBCE Na 2 B 4 O 7, NaNO 3 i Cr 2 O 3 +AlNi

Transkrypt

1 1/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN OCENA WYDŁUŻENIA WZGLĘDNEGO SILUMINU AK7 PO OBRÓBCE Na 2 B 4 O 7, NaNO i Cr 2 O +AlNi T. LIPIŃSKI 1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych Katedra Technologii Materiałów i Maszyn ul. M. Oczapowskiego 11, Olsztyn STRESZCZENIE Stop AK7 należy do grupy odlewniczych stopów aluminium. Jego niekorzystna budowa strukturalna kształtująca właściwości jest powodem prowadzenia badań nad ich poprawą. W przeprowadzonych badaniach dokonano oceny wpływu mieszanki złożonej z Na 2 B 4 O 7, NaNO, Cr 2 O +AlNi i wprowadzonej do stopu bezpośrednio w formie odlewniczej na wydłużenie względne A. Otrzymano podwyższenie wydłużenia o 4% do wartości A =6.% Wyniki przedstawiono w postaci graficznej. Key words: Al alloys, silumins, crystallization, metallothermy 1. WPROWADZENIE Stop AK7 przeznaczony jest na średnioobciążone odlewy o skomplikowanych kształtach np. silników spalinowych. W stanie nieobrobionym cieplnie posiada on min. R m =160 MPa, A =2% i H=60 HB. Jednak właściwości te zależą od rodzaju odlewu i warunków jego krzepnięcia. Właściwości mechaniczne stopu AK7 wynikają z niekorzystnej budowy strukturalnej. W stanie niezmodyfikowanym posiada on twarde, nieodkształcalne ziarna eutektyczne roztworu stałego stałego aluminium w krzemie (β) na tle plastycznego roztworu stałego krzemu w aluminium (α). Struktura ta jest powodem niskich wartości wydłużenia [4]. W celu podwyższenia właściwości mechanicznych stopu poddaje się go m.in. modyfikacji. Wprowadzając do stopu odpowiednio dobrane pierwiastki i związki 1 dr inż., tomekl@uwm.edu.pl

2 91 chemiczne w ilościach nie powodujących zmiany w składzie chemicznym stopu w skali makroskopowej można znacząco oddziaływać na zmianę budowy strukturalnej (morfologię stopu), a w efekcie i jego właściwości mechaniczne. Zmiana wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia względnego jest oczywista. Wraz z rozdrobnieniem dendrytów fazy α, a zwłaszcza eutektyki (α+β) następuje jednoczesny przyrost zarówno wytrzymałości jak i wydłużenia stopu [1-]. 2. CEL I METODYKA BADAŃ Celem badań była ocena wydłużenia względnego siluminu AK7 po obróbce, mieszanką dającą efekt egzotermiczny, bezpośrednio w formie odlewniczej. Skład mieszanki dobrano na podstawie teoretycznych rozważań modyfikacji stopu AK7, przy uwzględnieniu postawionych założeń. Do obróbki wytypowano mieszankę o składnikach: X 1 -Na 2 B 4 O 7, X 2 -NaNO, X -Cr 2 O +AlNi oraz jako reduktory Al i Mg. Oddziaływania modyfikującego oczekiwano po wyredukowanym Na i B, umocnienia po Cr, Ni i Al 2 O. Brano również pod uwagę możliwość wpływu niektórych produktów reakcji zarówno na modyfikację struktury, jej umocnienie jak też efekt cieplny tworzenia produktów. Warunkiem energetycznym samorzutnego przebiegu reakcji jest przyrost entalpii o minimum 00 kj/mol reduktora. Reduktory należy dobrać tak, aby nie powodowały obniżenia właściwości obrabianego stopu. W przypadku siluminów korzystne jest zastosowanie jako reduktorów Al i Mg. Każdy z tych składników korzystnie wpływa na właściwości stopu. Korzystnego wpływu na właściwości siluminu po obróbce można oczekiwać po zastosowaniu NaNO, Na 2 B 4 O 7, Cr 2 O +AlNi: 6NaNO +10Al Al 2 O +Na 2 O+N 6 (1) H 0 29 = 62 kj/mol Al 2NaNO +Mg MgO+Na 2 O+N 2 (2) H 0 29 = 461kJ/mol Mg lub boraks w reakcji z Mg Na 2 B 4 O 7 +6Mg 4B+Na 2 O+6MgO () H 0 29 = 774 kj/mol Mg następnie z reakcji 1-: Na 2 O+2Al Al 2 O +6Na (4) Na 2 O+Mg MgO+2Na () Wyredukowany bor - w powiązaniu z innymi pierwiastkami tworząc borki MeB (AlB 2, CrB 2, Cr 2 B) działa zarodkująco. Działanie Na jest typowo modyfikującym eutektykę (α+β). Szczególnie intensywnie oddziaływuje on na krzem podeutektyczny. Tlenek chromowy z glinem daje produkty zgodnie z reakcją:

3 92 Cr 2O 2Al 2Cr + Al2O + (6) H O 29 = 27 kj/mol Al W przypadku zastosowania magnezu jako reduktora otrzymujemy: Cr2 O + Mg 2Cr + MgO (7) H O 29 = 226 kj/mol Mg jednak dla stopu Al reakcja Cr 2 O ma małe szanse zajścia ze względu na zbyt niską temperaturę ciekłego metalu, który jest jej inicjatorem. Związek ten będzie zarodkiem krystalizacji oraz będzie powodował, podobnie jak Cr, umocnienie roztworu α. Biorąc pod uwagę zwilżalność Cr 2 O przez ciekły silumin, związek ten wprowadzono w kompozycji z AlNi w postaci Cr 2 O +AlNi. Dodatkowo wprowadzenie Ni hamuje wydzielanie się fazy Mg 2 Si w podwyższonych temperaturach, co prowadzi do stabilizacji struktury w warunkach eksploatacji.. METODYKA BADAŃ Badania przeprowadzono na przemysłowym stopie AK7 obrabiając go mieszankami wewnątrz formy odlewniczej. Eksperyment przeprowadzono zgodnie z planem rotatabilnym dla trzech zmiennych o ogólnym równaniu (8), dla których reduktorami były Al i Mg. Zakresy zmian składników mieszanki przedstawiono w tabeli 1. k 2 = b0 + bi xi + bij xij + 1 biix (8) k k Y i= 1 i < j i = i gdzie: b 0, b i, b ij, b ii współczynniki równania, k - liczba czynników. Tabela 1. Składniki mieszanki i ich zakresy udziału (na 1000 g odlewu) Table 1. Component of mixture and its participation (per 1000 g casting) Oznaczenie Składnik Poziomy zmian udziału składnika [%] Podstawowy Zmian Niższy Wyższy X 1 Na 2 B 4 O X 2 NaNO X Cr 2 O +AlNi Formowanie przeprowadzono ręcznie z użyciem czarnej masy formierskiej. Schemat formy odlewniczej przedstawiono na rys. 1. Po ostudzeniu stopu, odlew wybijano. Komorę reakcyjna przecinano w celu sprawdzenia efektywności wypłukania umieszczonych tam mieszanek. Nie stwierdzono pozostałości po wprowadzonych składnikach.

4 Rys. 1. Schemat formy odlewniczej. 1 - nadstawka, 2 - wlew główny, - komora reakcyjna, 4 - osłona ceramiczna termopar, - osłona tekturowa termopar, 6 - rdzeń blokujący, 7 - rdzeń do próby klinowej, 8 - przelew, 9 - wlew rozprowadzający 10 - próbnik do analizy termicznej, 11 - termopary NiCr-NiAl, 12 - przykrywka próbnika, 1 -próbka do badań wytrzymałościowych Fig. 1 Section of the casting mold: 1 - top, 2 down-gate, reaction chamber, 4 ceramic casing of thermoelements, cardboard casing of thermoelements, 6 blocking bolt, 7 sample for wedge tests, 8 strain relief, 9 cross-gate, 10 probe for thermal analysis, 11 thermoelements NiAl- NiCr-, 12 probe cover, 1 - sample for strength testing 4. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Zgodnie z przyjętym planem badań otrzymano odpowiedź w postaci równania (9). A =.+0.42x 1-0.0x +0.48x 1 x 2 +0.x x (9) dla którego: F tabl. =4.14; F obl. =2.91; zatem F obl. < F tabl. W celu przedstawienia interpretacji graficznej wpływu poszczególnych składników na twardość stopu równanie sprowadzono do funkcji dwóch zmiennych. W tym celu przyjmowano kolejno udziały poszczególnych składników mieszanki odpowiednio na poziomie niższym (-1) i wyższym (+1), redukując jedną ze zmiennych. Otrzymano sześć wykresów przestrzennych twardości H funkcji zmiennych x i i x j : H=f(x i, x j ). Na rys. 2-4 przedstawiono wydłużenie względne A stopu AK7 po obróbce dwoma składnikami o zmiennych ich udziale w mieszance przy udziale trzeciego na poziomie niższym (rys. 2a, a, 4a) i wyższym (rys. 2b, b, 4b). Wydłużenie dla NaNO <0.07, 2> [%] i Cr 2 O +AlNi <, 0.> [%] przedstawiono na rys. 2a przy udziale Na 2 B 4 O 7 =0.% oraz na rys. 2b dla Na 2 B 4 O 7 =0.7% wagowego stopu AK7. W obu przypadkach zmian A funkcji udziału NaNO ma charakter liniowy, natomiast funkcji Cr 2 O +AlNi opisana została funkcją

5 94 drugiego stopnia. Zwiększenie w mieszance udziału Na 2 B 4 O 7 spowodowało przesunięcie zakresu analizowanego parametru w stronę wyższych wartości z zakresu do.6-6.%. Wydłużenie stopu po obróbce mieszanką z udziałem Na 2 B 4 O 7 <0.0, 0.07> [%] i Cr 2 O +AlNi <, 0.> [%] oraz NaNO =0.07% przedstawiono na rys. a, zaś dla a. b Rys. 2. Wydłużenie względne stopu AK7 (A ) po obróbce: NaNO i Cr 2 O +AlNi dla a. Na 2 B 4 O 7 = 0.0%, b. Na 2 B 4 O 7 = 0.07% Fig. 2. Unit elongation of AK7 alloy (A ) after treatment: NaNO and Cr 2 O +AlNi for a. Na 2 B 4 O 7 = 0.0%, b. Na 2 B 4 O 7 = 0.07% a. b Na B O [%] Na B O [%] Rys.. Wydłużenie względne stopu AK7 (A ) po obróbce: Cr 2 O +AlNi i Na 2 B 4 O 7 dla a. NaNO = 0.07%, b. NaNO = 2% Fig.. Unit elongation of AK7 alloy (A ) after treatment: Cr 2 O +AlNi and Na 2 B 4 O 7 for a. NaNO = 0.07%, b. NaNO = 2% 2 NaNO =2% na rys b. Wydłużenie dla NaNO <, 2> [%], Na 2 B 4 O 7 <0.0, 0.07> [%]przy Cr 2 O +AlNi=% przedstawiono na rys. 4a, zaś dla Cr 2 O +AlNi=0.% na rys. 4b.

6 9 a. b Na B O [%] Na B O [%] 2 Rys. 4. Wydłużenie względne stopu AK7 (A ) po obróbce: Na 2 B 4 O 7 i NaNO dla a. Cr 2 O +AlNi = %, b. Cr 2 O +AlNi = 0.% Fig. 4. Unit elongation of AK7 alloy (A ) after treatment: Na 2 B 4 O 7 and NaNO for a. Cr 2 O +AlNi = %, b. Cr 2 O +AlNi = 0.% 0.07 LITERATURA [1] Borkowski S., Lipiński T. 1996, Sterowanie krystalizacją odlewniczych stopów aluminium przez wprowadzenie dodatków egzotermicznych do formy. Zesz. Nauk. ART w Olsztynie nr 28, s [2] Górny Z. 1992, Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT Warszawa. [] Hajkowski M. 2001, Zależność podstawowych właściwości mechanicznych od struktury krystalicznej stopów Al-Si. Archiwum Odlewnictwa nr1 (2/2) PAN Katowice. [4] Poniewierski Z. 1968, Modyfikacja siluminów. WNT Warszawa. VALUATION OF UNIT ELONGATION OF SILUMINIUM AK7 AFTER TREATMENT BY Na 2 B 4 O 7, NaNO i Cr 2 O +AlNi SUMMARY AK7 alloy is necessary to foundry group aluminium alloys. Its afavourable structure who determinating mechanical properties is assignable cause make studies modify the properties. In cared out an investigations valuation influence of mixture composite from additions Na 2 B 4 O 7, NaNO and Cr 2 O +AlNi makes to alloy direct inmold method on unit elongation A. It was found that elongation increase about 4% to value A =6.%. Results of study presented by mathematical and graphical forms. Recenzował Prof. Józef Gawroński