SZACOWANIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH SILUMINU AK9 NA PODSTAWIE METODY ATND

Transkrypt

1 13/10 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 10 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 10 PAN Katowice PL ISSN SZACOWANIE WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH SILUMINU AK9 NA PODSTAWIE METODY ATND J. PEZDA 1, T. CIUĆKA 2, A. BIAŁOBRZESKI 3 Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku Białej Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji, Zakład Technologii Bezwiórowych ul. Willowa 2, Bielsko Biała STRESZCZENIE Napięciowo Derywacyjnej do określenia własności mechanicznych siluminu AK9 (R m ). Badany stop został poddany typowym zabiegom rafinacji i modyfikacji. Następnie została przeprowadzona analiza regresji w celu uzyskania równania do szacowania 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 zaś decyduje o własnościach mechanicznych i technologicznych wyrobu. Dlatego istotnym czynnikiem w produkcji odlewów o coraz lepszej jakości staje się wykorzystanie teorii procesów krystalizacji do 1 dr inż., jpezda@ath.bielsko.pl 2 dr inż., tciucka@ath.bielsko.pl 3 prof. dr hab. inż., abial@iod.krakow.pl

2 106 sterowania procesami technologicznymi, w celu uzyskania najlepszej struktury dla konkretnych wymagań. Dlatego wprowadzono metody oparte na analizie przebiegu zmian temperatury (termiczne - ATD), lub przewodności elektrycznej (elektryczne - AED), oraz nową opracowaną metodę Analizy-Termiczno-Napięciowo-Derywacyjnej (ATND). Metody te pozwalają na rejestrację zjawisk powstających w wyniku procesów krzepnięcia stopów dla określenia ich własności. 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 ). Właściwości mechaniczne tych stopów są determinowane przez stan składników ich struktury. 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. Stopy AK9 został rafinowany Rafalem 1 w ilości 0,4 % masy wsadu (w temperaturze 760 o C), a następnie modyfikowany zaprawą AlSr10 w ilości 0,6 % masy wsadu (w temperaturze 780 o C). Skład chemiczny badanego stopu przedstawiono w tablicy 1. 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 [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] raf. i modyf. 9,34 0,503 0,124 0,10 0,012 0,245 0,009 0,005 0,017 0,016 0,236 reszta Na rysunku 2 przedstawiono wykres przebiegu procesu krystalizacji (uzyskany przy użyciu metody ATND) dla rafinowanego i modyfikowanego stopu AK9 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 4 ).

3 107 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 AK9: a) pełny przebieg procesu krystalizacji, b) powiększenie zaznaczonego obszaru Fig. 2. Crystallization curves and characteristic points of AK9 alloys of the ATND analysis: a) full range of crystallization proces, b) extension marked area Wartości punktów charakterystycznych skorelowane z własnościami mechanicznymi (Tabela 2), wprowadzono do programu komputerowego dla przeprowadzenia analizy regresji.

4 108 Tabela 2. Własności mechaniczne badanego stopu Table 2. Mechanical properties of AK9 alloy Własności mechaniczne R 0,02 [MPa] R m [MPa] A 5 [%] Stop AK9 rafinowany ,1 4,7 rafinow. i modyf ,7 12,3 Jako funkcję obiektu badań przyjęto wielomian o następującej postaci: z b b x b x b x... b x n 0 gdzie: z - zmienna zależna (R 0,02, R 0,2, R m, A 5, E śr, HB), x 1, x 2,..., x n - zmienne niezależne (t 1 t 4, U 1 U 4 ), b 0, b 1,..., b n - estymatory regresji, - błąd standardowy estymacji n W wyniku przeprowadzonej analizy uzyskano równanie (1) przedstawiające wpływ zmiany wartości punktów charakterystycznych na wytrzymałość na rozciąganie R m dla stopu AK9 po rafinacji i modyfikacji. 2.1 Stop AK9 rafinowany i modyfikowany R m = -1480,5 + 2,88T 2-8,8U 1 4,59 [MPa] (1) Współczynniki regresji: współczynnik korelacji R= 0,89; współczynnik determinacji R 2 = 0,80; test istotności F obl = 42,48 > F kr = 3,46. Na rysunku 3 przedstawiono wartości przewidywane i rzeczywiste uzyskane na podstawie otrzymanego równania oraz przeprowadzonej próby wytrzymałościowej. Rysunek 4 przedstawia wpływ zmiany wartości punktów charakterystycznych U 1 i t 2 na wytrzymałość na rozciąganie R m. Przykładowe krzywe metody ATND dla poszczególnych zabiegów, przedstawiono na zbiorczym rysunku 5.

5 109 Rys. 3. Przewidywane i rzeczywiste wartości R m dla stopu AK9 Fig. 3. Expected and realit value R m for AK9 alloy Rys. 4. Wpływ zmiany wartości punktów charakterystycznych U 1 i t 2 na wytrzymałość na rozciąganie R m Fig. 4. Influence of temperatures t 2 and voltages U 1 on the strenght R m

6 110 Rys. 5. Krzywe krystalizacji stopu AK9 wg metody ATND Fig. 5. Crystallization curves AK9 alloy of the ATND analysis 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. Dokładne opracowanie przebiegu krystalizacji stopu przy użyciu metody ATND oraz jej zastosowanie do szacowania własności mechanicznych siluminów w powiązaniu z analizą struktury metalograficznej udzieli pełnej informacji o krystalizującym stopie Przeprowadzone badania wstępne pozwoliły na opisanie w sposób istotny równaniem szacującym wytrzymałość na rozciąganie R m, rafinowanego i modyfikowanego siluminu AK9 na podstawie punktów charakterystycznych metody ATND w warunkach doświadczalnych, przy poziomie istotności a = 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.

7 111 [5] Pezda J., Szacowanie właściwości mechanicznych siluminów na podstawie metody ATND., Zeszyt Naukowy nr 233, Akademia Techniczno-Rolnicza, Bydgoszcz 2001 r. EVALUATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF THE SILUMIN AK9 ON THE GROUND OF ATND METHOD SUMMARY The evaluation test of mechanical properties of the AK9 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. Stanisław Pietrowski