TEMPERATURA KOŃCA KRYSTALIZACJI STOPU AK7 PO MODYFIKACJI MIESZANKĄ EGZOTERMICZNĄ, A BUDOWA MIKROSTRUKTURALNA

Transkrypt

1 35/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum O dlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN TEMPERATURA KOŃCA KRYSTALIZACJI STOPU AK7 PO MODYFIKACJI MIESZANKĄ EGZOTERMICZNĄ, A BUDOWA MIKROSTRUKTURALNA T. LIPIŃSKI 1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Wydział Nauk Technicznych Katedra Technologii Materiałów i Maszyn Olsztyn, ul. M. Oczapowskiego 11 STRESZCZENIE Eksperyment prowadzono na stopie AK7, według symetrycznego planu rotatabilnego dla trzech zmiennych. Mieszankę zestawiono z Na 2 B 4 O 7, NaNO 3 i Cr 2 O 3 +AlNi. Reduktor (Mg) obliczano w oparciu o reakcje chemiczną. Udziały składników mieszanki zestawiono w tabeli 1. Analizę weryfikowano testem t-studenta na poziomie =0.05 i kryterium Fishera. Rezultaty zaprezentowano za pomocą równania matematycznego oraz w postaci graficznej. Rysunki przedstawiono dla dwóch poziomów zmiennych. Rysunek 5 przedstawia przykład budowy strukturalnej stopu AK7 po obróbce mieszanka egzotermiczną. Key words: Al alloys, silumin, crystallization, metallothermy 1. WPROWADZENIE W procesie krystalizacji stopów metali istotną rolę odgrywają cząsteczki obcych faz stałych, ciekłych i gazowych, zarówno egzogenicznych (pochodzących z zewnątrz) jak i endogenicznych powstających w wyniku różnego rodzaju reakcji przebiegających w kąpieli metalowej [1]. Szczególnie interesujące są te drugie. W ostatnich latach intensywnie rozwijane są technologie, w których fazy obce wytwarzane są w ciekłym stopie. 1 dr inż., tomekl@uwm.edu.pl

2 268 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 aluminium w krzemie ( ) na tle plastycznego roztworu stałego krzemu w aluminium ( ). Struktura ta jest powodem niskich wartości wydłużenia [4, 5, 6]. W podeutektycznych stopach aluminium z krzemem krystalizujące jako pierwsze dendryty roztworu stałego są typowymi kryształami nieścianowymi, wykazującymi właściwości izotropowe. Prędkości ich wzrostu jak również wzrostu krystalizującej w następnym etapie eutektyki ( + ) jest funkcją przechłodzenia na froncie krystalizacji. Zależność ta jest funkcją złożoną: składu chemicznego fazy ciekłej i stałej, krzywizny powierzchni frontu krystalizacji, wydzielenia ciepła krystalizacji oraz defektów strukturalnych [2, 3, 7, 8]. 2. CEL I 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 (1), dla których reduktorami były Al i Mg. Zakresy zmian składników mieszanki przedstawiono w tabeli 1. k k k 2 Y b0 i 1b i x i i j b ij x ij i 1b ii x i (1) 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 3 Cr 2 O 3 +AlNi Formowanie przeprowadzono ręcznie z użyciem klasycznej 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.

3 Rys. 1. Schemat formy odlewniczej. 1 - nadstawka, 2 - wlew główny, 3 - komora reakcyjna, 4 - osłona ceramiczna termopar, 5 - 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, 13 -próbka do badań wytrzymałościowych. Fig. 1 Section of the casting mold: 1 - top, 2 down-gate, 3 reaction chamber, 4 ceramic casing of thermoelements, 5 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, 13 - sample for strength testing. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Zgodnie z przyjętym planem badań otrzymano odpowiedź w postaci równania (2) TL2= x x 1 x x 1 x x x x 2 2 (2) dla którego: F tabl. =4.28; F obl. =4.13; 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 temperatury końca krystalizacji fazy funkcji zmiennych x i i x j : TL2=f(x i, x j ) rys Najwyższy zakres temperatury krystalizacji fazy (TL2) otrzymano dla Cr 2 O 3 +AlNi na poziomie wyższym oraz Na 2 B 4 O 7 i NaNO 3 w granicach zmian. Najniższy zakres otrzymano dla NaNO 3 na poziomie wyższym oraz Na 2 B 4 O 7 i Cr 2 O 3 +AlNi w granicach zmian.

4 NaNO [%] NaNO [%] Rys. 2. Temperatura końca krystalizacji fazy stopu AK7 (TL2) po obróbce: NaNO 3 i Cr 2 O 3 +AlNi dla a. 0.03% Na 2 B 4 O 7, b. 0.07%Na 2 B 4 O 7 Fig. 2. Temperature at the end of phase crystallization (TL2) of AK7 alloy after treatment: NaNO 3 and Cr 2 O 3 +AlNi for a. 0.03%Na 2 B 4 O 7, b. 0.07%Na 2 B 4 O Rys. 3. Temperatura końca krystalizacji fazy stopu AK7 (TL2) po obróbce: Cr 2 O 3 +AlNi i Na 2 B 4 O 7 dla a %NaNO 3, b. 25%NaNO 3 Fig. 3. Temperature at the end of phase crystallization (TL2) of AK7 alloy after treatment: Cr 2 O 3 +AlNi i Na 2 B 4 O 7 dla a %NaNO 3, b. 25%NaNO 3 Struktury stopu AK7 po obróbce mieszanką egzotermiczną, której wszystkie składniki były na poziomie wyższym (tab.1) przedstawiono na rys. 5a. Dla tego skład mieszanki TL2 wynosi o C. Stop ten posiada drobnoziarnistą eutektykę ( + ) na tle rozwiniętych dendrytów fazy. Strukturę o najdrobniejszej eutektyce otrzymano dla 0.07%Na 2 B 4 O %NaNO Cr 2 O 3 +AlNi, dla której TL2=605.5 o C (rys. 5b). Najniższą temperaturę końca krystalizacji fazy (TL2= o C) otrzymano dla 0.05% Na 2 B 4 O %NaNO %Cr 2 O 3 +AlNi (rys. 5d). Dla mieszanki tej stwierdzono najmniejsze dendryty fazy. Również eutektyka jest drobnodyspersyjna.

5 NaNO [%] NaNO 3 [%] Rys. 4. Temperatura końca krystalizacji fazy stopu AK7 (TL2) po obróbce: Na 2 B 4 O 7 i NaNO 3 dla a. %Cr 2 O 3 +AlNi, b. 0.3%Cr 2 O 3 +AlNi Fig. 4. Temperature at the end of phase crystallization (TL2) of AK7 alloy after treatment: Na 2 B 4 O 7 i NaNO 3 dla a. %Cr 2 O 3 +AlNi, b. 0.3%Cr 2 O 3 +AlNi c. d. Rys. 5. Mikrostruktura stopu AK7 po obróbce mieszankami egzotermicznymi: a. 0.07%Na 2 B 4 O %NaNO Cr 2 O 3 +AlNi, b. 0.07%Na 2 B 4 O %NaNO Cr 2 O 3 +AlNi, c. 0.03%Na 2 B 4 O %NaNO 3 + Cr 2 O 3 +AlNi, d. 0.05%Na 2 B 4 O %NaNO Cr 2 O 3 +AlNi. Trawiono Mi8Al, pow. 100x. Fig. 5. Microstructure of alloy AK7 after treatment with exothermic mixtures: a. 0.07%Na 2 B 4 O %NaNO Cr 2 O 3 +AlNi, b. 0.07%Na 2 B 4 O %NaNO Cr 2 O 3 +AlNi, c. 0.03%Na 2 B 4 O %NaNO 3 + Cr 2 O 3 +AlNi, d. 0.05%Na 2 B 4 O %NaNO Cr 2 O 3 +AlNi. Etching with Mi8Al, enl. 100x.

6 272 Porównując oddziaływanie tej mieszanki o składzie 0.03%Na 2 B 4 O %NaNO 3 + %Cr 2 O 3 +AlNi, dla której TL2=600 o C (rys. 5c) otrzymano drobne dendryty fazy oraz eutektykę w układzie iglastym, stwierdzono pomimo nieznacznej różnicy temperatury końca krystalizacji fazy dużą różnicę w budowie eutektyki ( + ). Świadczyć to może o większym wpływie analizowanej TL2 na wielkość fazy niż eutektyki ( + ). 4. PODSUMOWANIE Na podstawie wyników przeprowadzonych badań stwierdzono powiązanie temperatury końca krystalizacji fazy z wielkością jej dendrytów. Wpływ analizowanej temperatury na rodzaj i wielkość ziaren eutektycznych nie został potwierdzony. LITERATURA [1] Borkowski S.: Sterowanie jakością tworzyw odlewniczych na przykładzie żeliwa. WNT Warszawa (1999). [2] Fleming M.C., Solidification processing. Mc Graw-Hil Book New York [3] Fraś E., Krystalizacja metali i stopów. PWN Warszawa [4] Hajkowski M. 2001, Zależność podstawowych właściwości mechanicznych od struktury krystalicznej stopów Al-Si. Archiwum Odlewnictwa nr1 (2/2) Katowice. [5] Jackson K.A., Hunt J.D., Lamellar and rod eutectic growth. Transaction Metallurgical Society AIME, vol. 236 [6] Poniewierski Z. 1968, Modyfikacja siluminów. WNT Warszawa. [7] Pietrowski S. 2001, Siluminy. Politechnika Łódzka, Łódź. [8] Romankiewicz F., Rejf W. 1996, Modyfikacja stopu AlSi7Mg. Krzepnięcie Metali i Stopów nr 28, s TEMPERATURE AT THE END OF PHASE CRYSTALLIZATION AFTER MODIFICATION BY EXOTHERMICALLY MIXTURE AND MICROSTRUCTURE SUMMARY The experiments were conducted on alloy AK7, following a symmetric rotatable design for 3 independent variables. Mixtures composed of Na 2 B 4 O 7, NaNO 3 and Cr 2 O 3 +AlNi were used for alloy treatment. The amount of a reducing agent (Mg) necessary to carry out the process was calculated on the basis of chemical reactions. The mass fraction (weight in weight concentration) of individual variables is presented in Table 1. The analysis was performed employing the Student s t-test at a level of =0.05, and the Fischer criterion. Results of study presented by mathematical and graphical forms. Figures 2-4 present temperature at the end of phase crystallization (TL2) for each variable, at extreme (lower or higher) levels of the other two. Fig. 5-7 presents example estructures AK7 alloy after treatment exothermical mixtures. Recenzował Prof. Stanisław Pietrowski