EKOLOGICZNA MODYFIKACJA STOPU AlSi7Mg

Transkrypt

1 13/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN EKOLOGICZNA MODYFIKACJA STOPU AlSi7Mg T. LIPIŃSKI 1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych Katedra Technologii Materiałów i Maszyn, Olsztyn, ul. M. Oczapowskiego 11 STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki badań nad modyfikacją stopu AlSi7Mg (PN-EN 1706:2001) modyfikatorem homogenicznym, wytworzonym przez szybkie studzenie stopu AK7 z prędkością V 2 =200 o C/s. Przedstawiono w formie graficznej wpływ prędkości studzenia i zawartości modyfikatora w odniesieniu do masy obrabianego stopu na przykładowe struktury oraz wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie procentowe, twardość. Key words: Al alloys, silumin, crystallization, modification 1. WPROWADZENIE Struktura stopu AlSi7Mg w stanie wyjsciowym składa się z ziarnistej i iglastej fazy β oraz fazy α jako osnowy. Twarda, nieregularna często ostro zakończona faza β stanowi karby strukturalne powodujące niskie właściwości mechaniczne stopu [2, 3, 4, 5, 7, 8]. W praktyce stop ten znajduje zastosowanie po rozdrobnieniu struktury, w szczególności eutektycznej fazy β. Jednym z zabiegów zmniejszających te niekorzystne właściwości jest modyfikacja chemiczna. W literaturze podany jest wpływ różnych pierwiastków chemicznych na strukturę oraz związane z nią właściwości mechaniczne. Silumin po modyfikacji, prowadzonej przeważnie sodem, posiada korzystne właściwości mechaniczne pozwalające zastosować go na odlewy w różnych gałęziach przemysłu [1, 6]. Problem powraca podczas recyklingu stopu. Pierwiastki (modyfikatory) dodane na etapie wytwarzania, pomimo nieznacznego ich udziału w trakcie jego przetwarzania mogą reagować między sobą ograniczając zdolność stopu do powtórnego jego wykorzystania. Szukając alternatywnych możliwości polepszenia 1 dr hab. inż., tomekl@uwm.edu.pl 91

2 właściwości użytkowych stopu AlSi7Mg przeprowadzono próbę jego modyfikacji związkiem o tym samym składzie chemicznym. 2. CEL I METODYKA BADAŃ Celem badań była określenie zmian struktury i właściwości mechanicznych stopu po obróbce modyfikatorem studzonym z prędkością 200 o C/s o składzie chemicznym obrabianego siluminu. Badania przeprowadzono na stopach AK7 reprezentatywnym dla grupy podeutektycznych stopów Al-Si. Formowanie przeprowadzono ręcznie. Schemat formy przedstawiono na rys. 1. a b Rys. 1. Schemat formy odlewniczej: a. przekrój, b. widok z góry: 1 zbiornik wlewowy, 2 wlew doprowadzający, 3 forma, 4 próbka do badań wytrzymałości Fig. 1. Section of the casting mold: a. intersection, b. top view: 1 pouring basin, 2 runner, 3 mold, 4 test piece for evaluate mechanical properties Do modyfikacji zarówno stopu AK7 użyto modyfikator homogeniczny przygotowany z tego samego stopu, do obróbki którego był przeznaczony. Przygotowanie ich polegało na przeprowadzeniu stopu do stanu ciekłego, a następnie poddanie cieczy studzeniu z prędkością V 2 =200 o C/s. Stop topiono w tyglu ze stali 1H18N9T umieszczonym w piecu indukcyjnym. W ten sposób przygotowano modyfikator, który rozdrabniano bezpośrednio przed wprowadzeniem do stopu. Składnik dodawano do tygla z ciekłym stopem AK7 o temperaturze 850 o C i przetrzymywano w tej temperaturze przez 1 min. Udział masowy wprowadzonego 92

3 składnika w odniesieniu do masy obrobionego stopu wynosił kolejno: 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 i 1.0%. Po zrównaniu temperatury formy z temperaturą otoczenia (ok. 25 o C) odlew wybijano i odcinano układ wlewowy. Otrzymywano w ten sposób po dwie próbki z każdego eksperymentu o wymiarach φ16x140 mm. Z dolnej części każdej z próbek odcinano 10 mm. Na powierzchni cięcia przygotowywano zgład metalograficzny do badań mikrostruktury. Z górnej części odlewu przygotowywano próbkę do badań mechanicznych. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Strukturę stopu AK7 odlanego do formy bez modyfikatora przedstawiono na rys. 2. Składa się ona z iglastych i ziarnistych faz β na tle fazy α. Rys. 2. Mikrostruktura stopu AK7 bez obróbki, traw Fig. 2. Microstructure of alloy AK7 without treatment, etching with Wraz ze wzrostem ilości użytego modyfikatora homogenicznego, studzonego z prędkością 200 o C/s, do obróbki stopu AK7, jego struktura stawała się co raz to bardziej uszlachetniona (rys. 3 i rys. 4). Po obróbce stopu AK7 0.2% składnika wytworzonego ze stopu AK7 studzonego z prędkością 200 o C/s (rys. 5) uzyskano wytrzymałość R m =155 MPa, tj. wzrost o 7% w porównaniu z uzyskanym w tych samych warunkach stopem nieobrobionym składnikiem stopowym (p-kt 0.0 rys. 5). Po zwiększeniu ilości modyfikatora homogenicznego do 0.4% uzyskano wzrost analizowanego parametru o 6% w stosunku do stopu obrobionego 0.2% składnika oraz o 13% w odniesieniu do stopu nie obrobionego. Dla 0.6 i 0.8% modyfikatora homogenicznego wytrzymałość R m =165 MPa. Natomiast po obróbce 1.0% modyfikatora R m =167 MPa, zatem o 15% więcej od wielkości wyjściowej. Dla analizowanego modyfikatora homogenicznego, studzonego z prędkością 200 o C/s, optymalną wytrzymałość otrzymano dla 0.4% wprowadzanego modyfikatora homogenicznego, dla którego R m =164 MPa. Dalsze 93

4 zwiększanie ilości modyfikatora do 1.0% spowodowało wzrost wytrzymałości zaledwie o 2%. Zastosowanie mniejszej ilości modyfikatora homogenicznego nie spowodowało uzyskania możliwie dużej wytrzymałości. Rys. 3. Mikrostruktura stopu AK7 po obróbce 0.2% modyfikatora chodzonego z cieczy z prędkością 200 o C/s, traw Fig. 3. Microstructure of alloy AK7 after treatment 0.2% modifier cooled from liquid with 200 o C/s, etching with Rys. 4. Mikrostruktura stopu AK7 po obróbce 0.4% modyfikatora chodzonego z cieczy z prędkością 200 o C/s, traw Fig. 4. Microstructure of alloy AK7 after treatment 0.4% modifier cooled from liquid with 200 o C/s, etching with 180 Rm [MPa] Udział masowy modyfikatora [%] Rys. 5. Wytrzymałość na rozciąganie stopu AK7 modyfikowanego stopem AK7 chłodzonym z szybkością 200 o C/s (tab. 2) Fig. 5. Tensile strength of AK7 alloy modify by AK7 rapid cooling at a speed of 200 o C/s (tab.2) Porównując wytrzymałość na rozciąganie stopu AK7 po obróbce poszczególnymi dodatkami stwierdzono najkorzystniejszy wpływ 0.4% modyfikatora homogenicznego studzonego z prędkością 200 o C/s. Dla tej prędkości studzenia 94

5 analizowanego składnika stopowego wytrzymałość rośnie wraz ze wzrostem ilości modyfikatora homogenicznego, jednak po przekroczeniu 0.4% modyfikatora wzrost ten jest znacznie mniejszy. Wydłużenie procentowe stopu AK7 odlanego do formy bez modyfikatora A=3.8%. Po obróbce 0.2% modyfikatorem homogenicznym studzonym z prędkością 200 o C/s (rys. 6) wzrosło o 21% do A=4.6%. Po zwiększeniu udziału modyfikatora w zakresie % A=5.7%, zatem wzrosło o 50% w porównaniu ze stopem nie obrobionym. A [%] Udział masowy modyfikatora [%] Rys. 6. Wydłużenie procentowe stopu AK7 modyfikowanego stopem AK7 chłodzonym z szybkością 200 o C/s (tab. 2) Fig. 6. Unit elongation of AK7 alloy modify by AK7 rapid cooling at a speed of 200 o C/s (tab.2) HB Udział masowy modyfikatora [%] Rys. 7. Twardość Brinella stopu AK7 modyfikowanego stopem AK7 chłodzonym z szybkością 200 o C/s (tab. 2) Fig. 7. Brinell hardness of AK7 alloy modify by AK7 rapid cooling at a speed of 200 o C/s (tab.2) Dalsze zwiększenie udziału modyfikatora do 0.8 i 1.0% spowodowało podniesienie wydłużenia odpowiednio do A=5.8 i A=6.0%, zatem najwyżej o 5% w 95

6 odniesieniu do wielkości po modyfikacji 0.4% stopu AK7 studzonym z prędkością 200 o C/s. Po zastosowaniu modyfikatora homogenicznego studzonego z prędkością 200 o C/s odnotowano po obróbce 0.2 i 0.4% modyfikatora wzrost do 54 i 59 HB. Po dalszym zwiększeniu udziału wprowadzanego modyfikatora homogenicznego od 0.6 do 1.0% twardość nie zmieniała się i wynosiła 60 HB (rys. 7). 4. PODSUMOWANIE Po zastosowaniu jako modyfikatora stopu AK7 studzonego z V 2 =200 o C/s, już przy 0.2% tego modyfikatora homogenicznego odnotowano zmianę budowy strukturalnej (rys. 3). Igły fazy β stały się rozgałęzione. Większy stopień dyspersji eutektyki uzyskano po wprowadzeniu 0.4% tego modyfikatora (rys. 4). Jednocześnie ze zmianą struktury stopu, zmianie uległy jego właściwości mechaniczne (rys 5 7). LITERATURA [1] Borkowski S.: Sterowanie jakością tworzyw odlewniczych na przykładzie żeliwa. WNT Warszawa [2] Fleming M.C.: Solidification processing. Mc Graw-Hil Book New York [3] Hajkowski M.: Zależność podstawowych właściwości mechanicznych od struktury krystalicznej stopów Al-Si. Archiwum Odlewnictwa nr1 (2/2) Katowice [4] Jackson K.A., Hunt J.D.: Lamellar and rod eutectic growth. Transaction Metallurgical Society AIME 1966, vol [5] Nova I., Exner J., Hosek Z., Novakova I.: Crystallization of Al-Si alloys in the course of high pressure die-casting. Archives of foundry, 2004,vol.4, N o 14. [6] Pietrowski S. Siluminy. Politechnika Łódzka, Łódź [7] Romankiewicz F., Rejf W.: Modyfikacja stopu AlSi7Mg. Krzepnięcie Metali i Stopów nr 28, Katowice 1996, s [8] Wołczyński W., Ciach R.: Growth of undirectional eutectic binary alloys. Solidifications Technology in the foundry and cast house. The Metals Society SUMMARY EKOLOGICAL MODYFICATION OF AK7 ALLOY Results of studies on the modification of AK7 alloy with a homogenous modifier obtained by fast cooling of AK7 alloy at rates V 2 =200 o C/s are presented in the paper. The effects of cooling rate and w/w concentration of the modifier in the melt on sample of structure and tensile strength, percentage elongation, hardness and abrasive wear are illustrated graphically. Recenzował: Prof. Jan Szajnar 96