OBRÓBKA CIEPLNA SILUMINU AK9

Transkrypt

1 50/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN OBRÓBKA CIEPLNA SILUMINU AK9 J. PEZDA 1 Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku Białej Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji, Zakład Technologii Bezwiórowych ul. Willowa 2, Bielsko Biała STRESZCZENIE W artykule przedstawiono próbę zastosowania jednoczesnej metody Analizy Termiczno-Napięciowo Derywacyjnej i analizy regresji do określenia optymalnych parametrów obróbki cieplnej siluminu AK9. Badany stop został poddany typowym zabiegom rafinacji i modyfikacji. Następnie została przeprowadzona obróbka cieplna stopu, badania udarności i analiza regresji. Key words: ATD, ATND, impact strength, heat treatment. 1. WSTĘP Siluminy, które oprócz krzemu zawierają dodatek magnezu lub miedzi, albo oba te pierwiastki łącznie, są zazwyczaj stosowane w odlewach obrabianych cieplnie. Obróbka cieplna siluminów nosi nazwę utwardzania dyspersyjnego (wydzieleniowego) i jest połączeniem dwóch kolejnych zabiegów cieplnych: przesycania i starzenia. Celem obróbki cieplnej jest przede wszystkim wzrost twardości i wytrzymałości na rozciąganie oraz granicy plastyczności odlewów. Do zmiany właściwości stopu prowadzi wydzielanie się rozpuszczonego składnika z przesyconego roztworu α podczas chłodzenia. W siluminach zawierających tylko magnez lub miedź umocnienie wydzieleniowe uzyskuje się w wyniku wydzielania faz Mg 2 Si, Al 2 CuMg oraz Al 2 Cu w procesie starzenia po uprzednim przesycaniu [1]. Stosowany zabieg wygrzewania odlewów w procesie przesycania wywołuje nie tylko wzrost stężenia w roztworze stałym α pierwiastków stanowiących potencjalne źródło procesów wydzieleniowych, ale może powodować także korzystną zmianę morfologii kryształów eutektycznych krzemu ich koalescencję i sferoidyzację. Zwiększa to właściwości mechaniczne 1 dr inż., jpezda@ath.bielsko.pl

2 376 siluminów i nie wykazuje pogorszenia własności plastycznych, pomimo umocnienia roztworu stałego α wskutek późniejszego starzenia odlewów [2]. Wprowadzenie metod opartych na analizie przebiegu zmian temperatury (termiczne - ATD), lub przewodności elektrycznej (elektryczne - AED), oraz nowej metody Analizy-Termiczno-Napięciowo-Derywacyjnej (ATND) pozwoliło na rejestrację zjawisk powstających w wyniku procesów topienia (nagrzewania) i krzepnięcia (chłodzenia) stopów. Na krzywych temperaturowych i napięciowych (ATND) można zaobserwować efekty cieplne i napięciowe występujące na tych krzywych w postaci charakterystycznych pików. Wartości temperatury odczytane dla tych punktów charakterystycznych stają się podstawą do podjęcia analizy regresji mającej na celu określenie najkorzystniejszych parametrów procesów przesycania i starzenia siluminu AK9. 2. METODYKA I WYNIKI BADAŃ Obróbkę cieplną przeprowadzono dla stopu AK9 rafinowanego i modyfikowanego. Polegała ona na poddaniu stopu zabiegom przesycania i starzenia. Przed obróbką cieplną na podstawie przeprowadzonego procesu topienia stopu a następnie jego krystalizacji przy jednoczesnym pomiarze napięcia i temperatury (metoda ATND) zarejestrowano krzywe topienia i krystalizacji badanego stopu (rys. 1). Rys. 1. Krzywe metody ATND dla stopu AK9 Fig 1. Curves of AK9 alloys of the ATND analysis Badany stop AK9 został rafinowany Rafalem 1 w ilości 0,4 % masy wsadu, a następnie modyfikowany zaprawą AlSr10 w ilości 0,6 % masy wsadu. Skład chemiczny badanego stopu przedstawiono w tablicy 1.

3 377 Tablica 1. Skład chemiczny stopu AK9 (rafinowanego i modyfikowanego) Table 1. Chemical conditions of AK9 alloy. Stop AK9 Si Fe Cu Zn Ti Mn Ni Sr Pb Cr Mg Al [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] modyfikowany 9,34 0,503 0,124 0,10 0,012 0,245 0,009 0,005 0,017 0,016 0,236 reszta Na podstawie zarejestrowanych krzywych metody ATND i występujących na nich charakterystycznych punktów dobrano temperatury zabiegów przesycania i starzenia (rys. 2). Rys. 2. Krzywe metody ATND i charakterystyczne punkty dla stopu AK9: - dobór temperatur obróbki cieplnej Fig 2. Crystallization curves and characteristic points of AK9 alloys of the ATND analysis: - selection temperatures of heat treatment

4 378 Zaznaczonym na rys. 2 punktom A C oraz D F odpowiadają temperatury: starzenia, oraz przesycania (tabl. 2). Wartości odczytane dla tych punktów (zmienne niezależne) stanowią podstawę do stworzenia plików przeznaczonych do analizy regresji. Tabela 2. Temperatury i czasy zabiegów obróbki cieplnej stopu AK9 Table 2. Temperature and time heat treatment of AK9 alloy temperatura temperatura czas przesycania starzenia [ o czas starzenia [h] C] przesycania [ o C] [h] A D B E C F W celu określenia wpływu temperatury i czasu obróbki na udarność siluminu AK9 przyjęto trzystopniowy plan badań o liczbie czterech zmiennych. Zmiennymi niezależnymi są temperatury i czasy obróbki, natomiast zmienną zależną jest udarność badanego stopu. Na podstawie tak zbudowanego planu przeprowadzono obróbkę cieplną stopu AK9. Kolejnym etapem badań było wykonanie prób udarności badanego siluminu. Próbę udarności wykonano przy użyciu młota wahadłowego typu Charpy. Wartość udarności dla stopu AK9 po obróbce cieplnej wynosi od 5,2 J/cm 2 do 27,6 J/cm 2. Rys. 3. Próbka do badania udarności Fig. 3. Sample of test of the impact strength Po wykonaniu próby udarności przeprowadzono analizę regresji, wraz z określeniem stopnia korelacji dla wyznaczonych zależności pomiędzy zmianą wartości punktów charakterystycznych metody ATND, a udarnością badanego stopu. Na podstawie planu frakcyjnego trójwartościowego przyjęto funkcje obiektu badań w formie wielomianu stopnia drugiego (1): KCV = b 0 + b 1 x 1 + b 11 x b 2 x 2 + b 22 x b 3 x 3 + b 33 x b 4 x 4 + b 44 x 4 2 (1) gdzie: KCV udarność badanego stopu [J/cm 2 ], b 0, b 1, b 11,..., b 44 estymatory (współczynniki) regresji, x 1 temperatura przesycania, x 2 czas przesycania, x 3 temperatura starzenia, x 4 czas starzenia.

5 379 Po podstawieniu współczynników regresji do równania (1) otrzymano: KCV = , ,61x 1 0,01x ,37x 2 0,27x ,16x 3 0,000075x 3 2 0,09x 4 + 0,02x 4 2 [J/cm 2 ] (2) Współczynniki determinacji: R 2 = 0,95; popr. R 2 = 0,92 Uzyskane równanie (2) przedstawia zależność pomiędzy założonymi wartościami wejściowymi, a wartością udarności stopu AK9 po przeprowadzonej obróbce cieplnej. Przyjmując wartości punktów ustalonych, odpowiadające maksymalnym średnim krańcowym (wartości obliczone KCV) wykonano przestrzenne wykresy oddziaływania zmiennych wejściowych na zmianę udarności (rys. 4,5). KCV [J/cm 2 ] , , , ,5 530 Czas przesycania [h] 1,5 520 Temperatura przesycania [ 0 C] 0,5 Rys. 4. Wpływ zmiany wartości czasu i temperatury przesycania na udarność Fig. 4. Influence of temperatures and times solutioning on the impact strenght Rys. 5. Wpływ zmiany wartości czasu i temperatury starzenie na udarność Fig. 5. Influence of temperatures and times ageing on the impact strenght

6 WNIOSKI Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić już we wstępnej fazie badań, stosując analizę regresji, istnienie korelacji pomiędzy wartościami parametrów obróbki cieplnej i udarnością stopu. Rejestrowane procesy wydzieleniowe zachodzące w trakcie topienia (nagrzewania) stopu rejestrowane przez metodę ATND mogą posłużyć do określenia charakterystycznych temperatur obróbki cieplnej siluminu AK9. Najlepszą udarność stopu AK9 obrobionego cieplnie uzyskano przy następujących parametrach obróbki cieplnej: temperatura starzenia [ 0 C], czas starzenia od 10 do 13 godz., temperatura przesycania C, czas przesycania od 1,5 do 3 godzin. Przeprowadzone badania wstępne pozwoliły na opisanie w sposób istotny równaniem szacującym wartość udarności obrobionego cieplnie siluminu AK9 na podstawie punktów charakterystycznych krzywych ATND w warunkach doświadczalnych, przy poziomie istotności = 0,05. Pozwala to na dobór parametrów obróbki cieplnej, co wiąże się nie tylko z uzyskaniem dobrych właściwości mechanicznych, ale również z ekonomicznością procesu. LITERATURA [1] Pietrowski S.: Siluminy. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2001 r. [2] Poniewierski Z., Krystalizacja, struktura i własności siluminów. WNT, Warszawa 1986 r. [3] Wasilewski P., Siluminy - modyfikacja i jej wpływ na strukturę i właściwości. PAN Krzepnięcie metali i stopów, Zeszyt 21, Monografia, Katowice 1993 r. [4] Pietrowski S., Siluminy tłokowe. PAN Krzepnięcie metali i stopów, Zeszyt 29, Monografia, Katowice 1997 r. [5] Pezda J., Szacowanie właściwości mechanicznych siluminów na podstawie metody ATND., Zeszyt Naukowy nr 233, Akademia Techniczno-Rolnicza, Bydgoszcz 2001 r. SUMMARY HEAT TREATMENT OF THE SILUMIN AK9 The evaluation test of impact strength after heat treatments of the AK9 has been described in this paper. The characteristics points obtained from the thermal curves and from the voltage curves, as well from their derivatives have been determined on the state of the melting and crystallization curves using the metode simultaneous recording ATND. Recenzował Prof. Przemysław Wasilewski