OKREŚLANIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH SILUMINU AK20 NA PODSTAWIE METODY ATND

Transkrypt

1 28/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN OKREŚLANIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH SILUMINU AK20 NA PODSTAWIE METODY ATND 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 do określenia własności mechanicznych siluminu AK20 (R m ). Badany stop został poddany typowym zabiegom rafinacji i modyfikacji. Następnie została przeprowadzona analiza regresji w celu uzyskania równania do określania wytrzymałości na rozciąganie R m. Key words: ATD, ATND, mechanical properties, crystallization. 1. WSTĘP W czasie krystalizacji stopu powstają główne fazy i eutektyki jak również fazy pochodzące z zanieczyszczeń będących w stopie. Znajomość przebiegu procesów krystalizacji stopu jest źródłem informacji dla rozwoju nowych technologii przygotowania ciekłego metalu oraz kontroli przygotowania stopów w przemyśle. Wzrost wymagań stawianych nowym konstrukcjom, tak pod względem jakości jak i ekonomicznie uzasadnionej opłacalności, wymusił opracowanie metod poznawania właściwości stopu jeszcze przed jego odlaniem, które odpowiedzą na pytanie - czy stop po zakrzepnięciu będzie miał oczekiwane właściwości mechaniczne?. 1 Procesy krystalizacji stopów decydują o uzyskiwanej strukturze odlewu i tym samym o ich właściwościach użytkowych. Struktura stopów Al-Si składa się głównie z dwu podstawowych faz, to jest z plastycznej osnowy utworzonej z roztworu stałego na bazie Al, oraz twardych i kruchych kryształów krzemu (faza ). Zmiana morfologii 1 dr inż., jpezda@ath.bielsko.pl 233

2 kryształów Si uzyskanych w wyniku modyfikacji decyduje o własnościach mechanicznych i technologicznych wyrobu. Dlatego istotnym czynnikiem w produkcji odlewów staje się wykorzystanie teorii procesów krystalizacji do sterowania procesami technologicznymi, w celu uzyskania najlepszej struktury dla konkretnych wymagań. Wprowadzone metody oparte na analizie przebiegu zmian temperatury (termiczne - ATD), przewodności elektrycznej (elektryczne - AED) oraz metoda Analizy- Termiczno-Napięciowo-Derywacyjnej (ATND), pozwalają na rejestrację zjawisk powstających w wyniku procesów krzepnięcia stopów dla określenia ich własności. Na krzywych temperaturowych i napięciowych (ATND) można zaobserwować efekty cieplne i napięciowe występujące na tych krzywych w postaci charakterystycznych pików. Wartości temperatury i napięcia odczytane dla tych punktów charakterystycznych stają się podstawą do podjęcia analizy regresji dla uzyskania modeli matematycznych przedstawiających wpływ zmian ich wielkości na własności mechaniczne stopów. 2. METODYKA I WYNIKI BADAŃ Metoda ATND polega na ciągłym pomiarze napięcia elektrycznego powstającego na sondach podczas krystalizacji i przemian fazowych krzepnącego stopu. W trakcie pomiaru rejestrowane jest powstające napięcie i temperatura badanej próbki. Przebieg procesu krystalizacji przedstawiony jest w postaci wykresu tworzonego w czasie krzepnięcia stopu. Badanym stopem zalewano formę metalową do wykonywania znormalizowanych próbek wytrzymałościowych według PN-88/H , którą przystosowano do kontroli przebiegu procesów krystalizacji metodą ATND. Stop AK20 (AlSi21CuNi) rafinowano Rafalem 1 (0,4% masy wsadu), a następnie modyfikowano miedzią fosforową CuP10 w ilości 0,1% masy wsadu (0,01% P). Wyniki badania składu chemicznego przedstawiono w tablicy 1. Tablica 1. Skład chemiczny stopu AK20 (rafinowanego i modyfikowanego) Table 1. Chemical conditions of AK20 alloy Stop AK20 rafinowany i modyfikowany Si Fe Cu Zn Ti Mn P Ni Pb Cr Mg Al [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] 21,92 0,4 1, reszta Na rysunku 1 przedstawiono wykres przebiegu procesu krystalizacji (uzyskany przy użyciu metody ATND) dla rafinowanego i modyfikowanego stopu AK20 z zaznaczonymi punktami charakterystycznymi. Zaznaczone punkty charakterystyczne dla metody ATND to: a) punkty krzywej termicznej (t 1 t 4 ), b) punkty krzywej napięciowej (U 1, U 2 ). 234

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Wartości odczytane dla tych punktów (zmienne niezależne) stanowią podstawę do stworzenia plików przeznaczonych do analizy regresji. Rys. 2. Krzywe krystalizacji metody ATND i charakterystyczne punkty dla stopu AK20: a) pełny przebieg procesu krystalizacji, b) powiększenie zaznaczonego obszaru. Fig 2. Crystallization curves and characteristic points of AK20 alloys of the ATND analysis: a) full range of crystallization proces, b) extension marked area. 235

4 Wartości punktów charakterystycznych skorelowane z własnościami mechanicznymi (Tabela 2), wprowadzono do programu komputerowego dla przeprowadzenia analizy regresji. Tabela 2. Własności mechaniczne badanego stopu Table 2. Mechanical properties of AK20 alloy Stop AK9 rafinowany i modyfikowany Własności mechaniczne R 0,02 [MPa] R m [MPa] A 5 [%] ,4 1,1 W wyniku przeprowadzonej analizy uzyskano równanie (1) przedstawiające wpływ zmiany wartości punktów charakterystycznych na wytrzymałość na rozciąganie R m dla stopu AK20 po rafinacji i modyfikacji. R m = 600,8-0,69T 1-34,7U 2 5,39 [MPa] (1) Współczynniki regresji: współczynnik korelacji R= 0,92; współczynnik determinacji R 2 = 0,85; test istotności F obl = 41,64 > F kr = 3,68. Rys. 3. Przewidywane i rzeczywiste wartości R m dla stopu AK20 Fig 3. Expected and realit value R m for AK20 alloy Na rysunku 3 przedstawiono wartości przewidywane i obserwowane (rzeczywiste) uzyskane na podstawie otrzymanego równania oraz przeprowadzonych 236

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA prób wytrzymałościowych. Rysunek 4 przedstawia wpływ zmiany wartości punktów charakterystycznych U 2 i t 1 na wytrzymałość na rozciąganie R m. Rys. 4. Wpływ zmiany wartości punktów charakterystycznych U 2 i t 1 na wytrzymałość na rozciąganie R m. Fig. 4. Influence of temperatures t 1 and voltages U 2 on the strenght R m. Przykładowe krzywe metody ATND dla poszczególnych zabiegów, przedstawiono na zbiorczym rysunku 5. Rys. 5. Krzywe krystalizacji stopu AK20 wg metody ATND Fig. 5. Crystallization curves AK20 alloy of the ATND analysis 237

6 3. WNIOSKI Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić już we wstępnej fazie badań, stosując analizę regresji, istnienie korelacji pomiędzy wartościami punktów charakterystycznych (metoda ATND) i wytrzymałością na rozciąganie R m. Pozwala to na szybką kontrolę właściwości stopu już na etapie jego przygotowania. Przeprowadzone badania pozwoliły na opisanie w sposób istotny równaniem szacującym wytrzymałość na rozciąganie R m, rafinowanego i modyfikowanego siluminu AK20 na podstawie punktów charakterystycznych metody ATND w warunkach doświadczalnych, przy poziomie istotności α = 0,05. LITERATURA [1] Wasilewski P., Siluminy - modyfikacja i jej wpływ na strukturę i właściwości. PAN Krzepnięcie metali i stopów, Zeszyt 21, Monografia, Katowice 1993 r. [2] Poniewierski Z., Krystalizacja, struktura i własności siluminów. WNT, Warszawa, 1986 r. [3] Pietrowski S., Siluminy tłokowe. PAN Krzepnięcie metali i stopów, Zeszyt 29, Monografia, Katowice 1997 r. [4] Pietrowski S., Siluminy. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2001 r. [5] Pezda J., Szacowanie właściwości mechanicznych siluminów na podstawie metody ATND, Zeszyt Naukowy nr 233, Akademia Techniczno-Rolnicza, Bydgoszcz 2001 r. DETERMINATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF THE SILUMIN AK9 ON THE GROUND OF ATND METHOD. SUMMARY The evaluation test of mechanical properties of the AK20 have been described in this paper. The characteristics points obtained from the solidification curves and from the voltage curves, as well from their derivatives have been determined on the state of the solidification and crystallization curves using the metode simultaneous recording ATND. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 238