WYKORZYSTANIE ŁUKU ELEKTRYCZNEGO DO KSZTAŁTOWANIA STRUKTURY I GEOMETRII NADTOPIEŃ NA ODLEWACH ZE STOPU Al-Si

Transkrypt

1 10/10 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 10 Archiwum O dlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN WYKORZYSTANIE ŁUKU ELEKTRYCZNEGO DO KSZTAŁTOWANIA STRUKTURY I GEOMETRII NADTOPIEŃ NA ODLEWACH ZE STOPU Al-Si A.W. ORŁOWICZ 1, M. MRÓZ 2 Zakład Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska, ul. W. Pola 2, Rzeszów, STRESZCZENIE Na odlewach płytek ze stopu AK 7 wykonano metodą GTAW nadtopienia z prędkością skanowania łukiem elektrycznym w zakresie od 0,33 do 1,33 cm/s Określono geometrię nadtopień oraz wartość parametru strukturalnego 2D dendrytów fazy oraz E eutektyki α+β, a także zmierzono mikrotwardość. Dla uzyskanego zbioru danych określono związki pomiędzy parametrami technologicznymi procesu GTAW, a geometrią nadtopień, strukturą i mikrotwardością obszaru uszlachetnionego drogą szybką krystalizacją. Key words: AK 7 (LM 25) alloy, rapid solidification, structural parameters, hardness 1. WPROWADZENIE W ostatnim czasie prowadzone są prace nad niekonwencjonalnymi technikami kształtowania struktury [1,2]. Szereg prac z tego zakresu dotyczy uszlachetniania warstwy wierzchniej odlewów. Jedną z metod uszlachetniania warstwy wierzchniej jest jej nadtapianie skoncentrowanym strumieniem ciepła. Zastosowanie skoncentro-wanego strumienia ciepła do nadtapiania warstwy wierzchniej odlewów pozwala na tworzenie jeziorka ciekłego metalu, o geometrii zależnej od przyjętych parametrów technologicznych procesu. W efekcie szybkiego chłodzenia (rzędu K/s) osiąga się w wielu przypadkach nierównowagowy stan stopów, w którym zmieniają się granice 1 dr hab. inż., prof. PRz, zois@prz.rzeszow.pl 2 dr inż. mfmroz@prz.rzeszow.pl

2 82 rozpuszczalności roztworów stałych, powstają nowe metastabilne fazy krystaliczne, a nawet amorficzne, dając nową klasę materiałów, o interesujących właściwościach fizycznych i mechanicznych. Otwiera to nową drogę do zaawansowanego projektowania struktury Efektem zmian strukturalnych i morfologicznych dokonujących się w stopie, w wyniku oddziaływania skoncentrowanego strumienia ciepła i szybkiej krystalizacji, powinna być poprawa właściwości użytkowych odlewów. W pracy skoncentrowano się nad stopem AK 7, ponieważ stop ten jest powszechnie stosowany w przemyśle samochodowym i lotniczym, a jego produkcja wzrasta [3,4]. Do uszlachetniania powierzchniowego odlewów drogą szybkiej krystalizacji wykorzystano metodę GTAW (Gas Tungsten Arc Welding). Z uwagi na niski koszt urządzeń i możliwość mechanizacji cieszy się ona coraz większym zainteresowaniem [5-10]. Celem pracy było określenie wpływu parametrów technologicznych procesu GTAW na strukturę i twardość odlewów ze stopu AK METODYKA BADAŃ Materiał do badań stanowił stop AK 7 (7,40% Si, 0,31% Mn, 0,25% Mg, 0,15% Fe, 0,044% Sr, 0,015% Cu). Wytopy prowadzono w piecu indukcyjnym o pojemności 100kg. Po stopieniu metal przelano do pieca oporowego i wykonano rafinację preparatem zawierającym sześciochloroetan w temperaturze 963 K. Modyfikację strontem (zaprawą AlSi14Sr10) prowadzono w temperaturze 1003 K. Po upływie 60 minut od zakończenia modyfikacji zalano w czasie 5 minut formy piaskowe płyt o wymiarach 260x50x15 mm. Strukturę stopu w stanie odlanym i po uszlachetnianiu powierzchniowym drogą szybkiej krystalizacji przedstawiono na rysunku 1. Rys.1. Typowa mikrostruktura stopu AK 7 (LM 25) modyfikowanego strontem w stanie odlanym -a) i z obszaru nadtopienia -b). Trawiono odczynnikiem Dixa i Keitha Fig. 1.Typical microstructure of AK 7 (LM 25) alloy: a) in as-cast condition, b) in the fused area. Etch with Dix and Keith reagent Dla przygotowania próbek z warstwą uszlachetnioną powierzchniowo drogą szybkiej krystalizacji z odlewów płyt wycięto próbki o wymiarze 250x50x10 mm.

3 83 Próbki te nadtapiano w atmosferze helu (urządzeniem FALTIG 315AC/DC) z zastosowaniem elektrody wolframowej o średnicy 4 mm. W badaniach stosowano łuk elektryczny o długości 6 mm. Za kryterium doboru natężenia prądu przyjęto stabilną pracę łuku. Stosowano natężenie prądu I = 100, 150, 200, 250 lub 300 A oraz prędkość skanowania łuku v s = 0,33, 0,67, 1,0 i 1,33 cm/s. Wydatek gazu osłonowego wynosił 20 l/min. Dla intensyfikacji odprowadzania ciepła (uzyskania warunków zbliżonych do warunków nadtapiania powierzchniowego odlewów o dużej pojemności cieplnej) próbki były zamocowane w kalorymetrze przepływowym [11] umożliwiającym omywanie ich dolnej powierzchni strumieniem wody chłodzącej. W obszarze nadtopień uzyskano super drobne wydzielenia dendrytów fazy i eutektyki +. Pomiary szerokości i głębokości nadtopień realizowano na zgładach metalograficznych wykonanych w płaszczyźnie prostopadłej do osi wzdłużnej nadtopień. Zastosowana metodyka pozwalała na odczyt wartości mierzonych z dokładnością 0,01 mm. Na zgładach metalograficznych wykonano również ocenę odległości pomiędzy osiami gałęzi drugiego rzędu wartość parametru 2D oraz odległości pomiędzy wydzieleniami krzemu w eutektyce wartość parametru E. Przy określeniu parametru 2D stosowano powiększenie x800. Ocenę odległości międzyfazowej E w eutektyce wykonano na obrazach uzyskanych za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego. Po badaniach na zgładach metalograficznych wykonano pomiary mikrotwardości metodą Vickersa. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Wpływ parametrów technologicznych procesu GTAW na wartość parametru strukturalnego przedstawiono na rysunkach 2 i 3. Rys.2. Parametr strukturalny 2D w funkcji natężenia prądu (a) i prędkości skanowania łukiem elektrycznym (b) Fig. 2. Dendrite arm spacing 2D as a function of welding current (a) and travel speed (b)

4 84 Rys. 3. Parametr strukturalny E w funkcji natężenia prądu (a) i prędkości skanowania łukiem elektrycznym (b) Fig. 3. Eutectic spacing E as a function of welding current (a) and travel speed (b) W stosowanym zakresie parametrów technologicznych procesu nadtapiania nie stwierdzono wyraźnych zmian odstępu dendrytów fazy, natomiast odstępy E w eutektyce zmienił się około trzykrotnie. Brak wyraźnych zmian wartości dendrytów fazy sugeruje, że różnice w czasie krzepnięcia jeziorka ciekłego metalu są małe, ponieważ parametr ten zależy głównie od czasu krzepnięcia [12,13]. W odróżnieniu od parametru 2D parametr E eutektyki jest bardzo wrażliwy na gradienty temperatury [14,15]. Zgodnie z wyrażeniem Szamanina szybkość krystalizacji, a tym samym parametr strukturalny zależy od geometrii nadtopień, dlatego interesujące wydaję się określenie związku między parametrami geometrycznymi nadtopień, a parametrem strukturalnym. Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono związek pomiędzy parametrem strukturalnym 2D oraz E, a szerokością i głębokością nadtopień Rys. 4. Parametr strukturalny 2D w funkcji szerokości (a) i głębokości nadtopień (b) Fig. 4. Dendrite arm spacing 2D as a function of width (a) and depth (b) of fusion zone

5 85 Rys.5. Parametr strukturalny E w funkcji szerokości (a) i głębokości nadtopień (b) Fig. 5. Eutectic spacing E as a function of width (a) and depth of fusion zone (b) W praktyce spawalniczej często stosuje się wyrażenia E = U I/v s, tj. wkład energii na jednostkę długości nadtopienia. Wyrażenie to łączy w sobie parametry procesu technologicznego. Związek między parametrem strukturalnym oraz twardością, a wkładem energii na jednostkę długości nadtopienia obrazuje rysunek 6. c) Rys.6. Związek między parametrem strukturalnym 2D (a), parametrem strukturalnym E (b) i twardością (c), a wkładem energii na jednostkę długości nadtopienia Fig.6. The relation between structural parameters (a-b), harness (c) and the energy input per fusion length unit

6 86 4. STWIERDZENIA 1. Poprzez uszlachetnianie warstwy wierzchniej odlewów ze stopu AK 7 skoncentrowanym strumieniem ciepła można uzyskać silne rozdrobnienie dendrytów fazy i eutektyki W stosowanym zakresie parametrów technologicznych procesu nadtapiania nie stwierdzono wyraźnego zróżnicowania wartości parametru 2D dendrytów fazy, natomiast wartości parametru E eutektyki różniły się między sobą nawet trzykrotnie. Małe zróżnicowanie struktury dendrytycznej sugeruje niewielkie różnice w czasie krzepnięcia materiału nadtopień. Wyraźne zróżnicowanie parametru E eutektyki może być wynikiem zmian gradientów temperatury przez ciecz, wywołanych różna geometrią i objętością jeziorka ciekłego metalu. 3. Zastosowanie metody GTAW do uszlachetniania powierzchniowego odlewów ze stopu AK7 umożliwia uzyskanie struktury charakteryzującej się znacznie wyższą mikrotwardości obszaru nadtopionego w porównaniu do materiału rodzimego. 4. Poprzez dobór energii liniowej procesu GTAW można modelować geometrię oraz strukturę nadtopień. LITERATURA [1] Leontiew P.A., Chan M.G., Czekanowa N.T.: Lazernaja powierchnostnaja obrabotka mietałłow i spławow. Metałłurgia, [2] Burakowski K., Roliński E., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa [3] Haga F.: Vergütbarer und Schweissbarer Aluminium-Druckguss. Aluminium, 5, , [4] Lorch D.: Aluminiumfeinguss mit hocher Oberflächengüte und Massgenauigkeit. Aluminium, 5, , [5] Pocica A.: Zmiany strukturalne odlewów z żeliwa szarego w procesie obróbki powierzchniowej metodą spawalniczą. Praca doktorska. Politechnika Warszawska, Warszawa [6] Tanaka Y., Kuzuma K., Hiraoka T.: Surface hardening of spheroidal graphite cast iron by Inert-Gas-Tungsten-Arc remelting. IMONO, 10, 57, , [7] Nitkiewicz Z., Iwaszko J.: Wykorzystanie plazmy łukowej w inżynierii powierzchni. Inżynieria Materiałowa, 6, , [8] Stawiew D.S. Nikow N.J.: Uprocznienije sierych czugunow pri powierchnostnom otbiele niskoteperaturnoj plazmoj. Mietłłowiedienije i Termiczeskaja Obrabotka, 4, 15-18, [9] Opiekun Z., Orłowicz W.: Kształtowanie warstwy wierzchniej odlewów żeliwnych plazmą łuku elektrycznego. Przegląd Spawalnictwa, 6, 11-16, 1998.

7 87 [10] Orłowicz W., Mróz M.: Kształtowanie warstwy wierzchniej odlewów ze stopu AK 7 poprzez nadtapianie plazmą łuku elektrycznego. Acta Metallurgica Slovaca, , [11] Orłowicz W., Mróz M.: Wpływ atmosfery ochronnej na efektywność procesu GTAW przy nadtapianiu odlewów ze stopu aluminium. Krzepnięcie Metali i Stopów, 43, , [12] Hunt J.D.: Steady state columnar and equiaxed growth of dendrites and eutectic. Material Sci. Eng. A, 65, 75-83, [13] Tsumagari N., Mobley C.E., Gangasani P.R.: Construction and application of solidification maps for A356 and A357 aluminum alloys. AFS Transactions, 101, , [14] Hogan L.M., Song H.: Interparticle spacings and undercoolings in Al-Si eutectic microstructures. Metall. Trans. A, 18, , [15] Cáceres C.H., Wang Q.G.: Solidifications conditions, heat treatment and tensile ductility of Al-7Si-0.4Mg casting alloys. AFS Transactions, 104, , APPLICATION OF ARC ELECTRIC FOR FORMING STRUCTURE AND FUSION ZONE GEOMETRY ON Al-Si ALLOY CASTINGS SUMMARY On plate castings of AK 7 (LM 25) alloy the surface fusions were performed by GTAW surfacing process at electric arc scanning speeds from 0.33 to 1.33 cm/s. A penetration geometry and value of structural parameter 2D of matrix dendrites and E of the +ß eutectic were investigated as well as a microhardness was measured. For the obtained data set the relationships between GTAW process parameters and those of penetration geometry, structure and microhardness of the area improved by rapid solidification were estimated. Recenzował prof. Stanisław Pietrowski