WARUNKI KRZEPNIĘCIA ODLEWÓW Z SILUMINÓW, A PARAMETRY MIKROSTRUKTURY

Transkrypt

1 /14 Archives of Foundry, Year 4, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 4, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN WARUNKI KRZEPNIĘCIA ODLEWÓW Z SILUMINÓW, A PARAMETRY MIKROSTRUKTURY M. HAJKOWSKI 1 Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej ul. Piotrowo 3, Poznań STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań parametrów mikrostruktury i warunków krzepnięcia wynikających ze zróżnicowania materiałów formy. Podano analityczne zależności parametrów mikrostruktury odlewów z podeutektycznych siluminów w funkcji gradientu temperatury i kąta jego nachylenia względem osi walca. Key words: castings, Al -alloys, temperature gradient, parameters of microstructure 1. WPROWADZENIE Odlewy wytwarzane w formach mają przeważnie różne parametry mikrostruktury (wielkość i kształt geometryczny, położenie: kierunek nachylenia i stopień wzajemnej orientacji) w różnych ich miejscach, a także różny udział porowatości. Związane to jest z warunkami krzepnięcia w poszczególnych miejscach odlewu, które zależą od: zróżnicowania grubości ścianek w odlewie, zdolności chłodzących materiału formy, zróżnicowania materiałów formy np. masa formierska i ochładzalniki. Na etapie projektowania odlewu i technologii jego wykonania powinno się mieć możliwość szacowania parametrów struktury w różnych miejscach odlewu, ponieważ technologia formy odlewniczej decyduje o warunkach krzepnięcia odlewów, a warunki te mają wpływ na wartości geometryczne parametrów mikrostruktury. Celem pracy było powiązanie mikrostruktury z technologią formy poprzez opisanie jej warunkami krzepnięcia w odlewach z podeutektycznych silumimów. 1 dr inż., mieczysław.hajkowski@put.poznan.pl

2 WYBÓR PARAMETRÓW MIKROSTRUKTURY DO BADAŃ Na podstawie analizy właściwości plastycznych podeutektycznego stopu Al-Si zawierającego żelazo przyjęto, że na właściwości mechaniczne odlewów mają wpływ następujące geometryczne parametry mikrostruktury [1]: grubość (przybliżona długość odcinka poślizgu) gałęzi dendrytów fazy (d 1, d 2 ) i wydzieleń Si (g 1 ) oraz długość wydzieleń Si (l 1 ), przyjęto także grubość szkieletu fazy zawierającej żelazo (g 2 ); parametry te pokazano na rys. 1, a) b) g 2 g 1 Fe 3 Si 2 Al 12 Rys. 1. Charakterystyczne wymiary: a) dendrytu, b) wydzieleń Si w eutektyce i fazy żelazowej Fig. 1. Characteristic dimensions of: a) dendrite; b) Si-liberations in the eutectic and iron phase stopień wzajemnej orientacji dendrytów fazy, charakteryzujący położenie kryształów względem siebie ( 1 2 ) rys.2a; stopień wzajemnej orientacji jest zdefiniowany zależnością Z = (P LP P LR )/(P LP,57 P LR ) (gdzie: P LP średnia liczba przecięć kryształów z prostopadłymi liniami siatki na 1 mm długości linii prostopadłych siatki, P LR średnia liczba przecięć kryształów z równoległymi liniami siatki na 1 mm długości linii równoległych siatki), kąt nachylenia dendrytów względem osi walca (rys.2b). a) b) Rys. 2. Wzajemna orientacja dendrytów (a) i nachylenie dendrytów od osi walca (b) Fig. 2. Mutual dendrite orientation (a) and dendrite inclination with respect to cylinder axis (b)

3 156 Rozłożenie krzemu eutektycznego tj. kąt nachylenia względem kierunku osi walca i stopień wzajemnej orientacji Z, są niezmienne w warunkach cieplnych stygnięcia odlewu Al-Si w formie odlewniczej, ponieważ: w odlewie ze stopu niemodyfikowanego wydzielenia eutektycznego Si mają kulisty szkielet płytkowy (rys. 3a), a w odlewie ze stopu modyfikowanego - kulisty szkielet włóknisty (rys. 3b). a) b) Rys. 3. Schemat szkieletu płytkowego (a) i włóknistego (b) Si w eutektyce [2] Fig. 3. Schematic of lamellar core (a) and fibrous core (b) of Si in the eutectic [2] Takie rozłożenie Si sprawia, że średnia wartość kąta nachylenia płytek lub włókien Si względem osi walca Si 45, a ich stopień wzajemnej orientacji Z Si. 3. BADANIA WARUNKÓW KRZEPNIĘCIA I MIKROS TRUKTURY ODLEWÓW 3.1. Metodyka badań Do badań przyjęto walcowy kształt odlewu o średnicy mm. Stosowano trzy stopy aluminium zawierające 6,8 % Si i,13 % Fe; 8,7 % Si i,24 % Fe; 9,5 % Si i,32 % Fe. Warunki krzepnięcia zmieniano za pomocą: różnych materiałów i różnicowania materiałów w formie (tabl. 1). Tablica 1. Materiały zastosowane na elementy formy Table 1. The materials on the moulds Usytuowanie w formie Oznaczenie formy Mi-Och Kw-Och Kw-Kw Ch-Ch kombinacje materiałów odtwarzająca powierzchnię walcową odlewu Mi Kw Kw Ch odtwarzająca dolną powierzchnię czołową odlewu Cu Cu Kw Ch Mi masa z mikrosfer wiązana szkłem wodnym, Cu ochładzalnik z miedzi z pokryciem grafitowym, Kw masa z piasku kwarcowego wiązana szkłem wodnym, Ch masa z piasku chromitowego wiązana szkłem wodnym.

4 157 Formy zalewano stopem niemodyfikowanym i modyfikowanym strontem (,3 % masy wsadu). Warunki krzepnięcia odlewów opisano wartością średnią gradientu temperatury w okresie wzrostu roztworu stałego α (składowe gradientu tempera-tury w kierunku osi walca G y i w kierunku promienia walca G x wyznaczono jako wartości średnie na podstawie krzywych stygnięcia w miejscach odlewu pokazanych na rys. 4). Gradient ten wyznaczono z zależności: G 2 2 G x G Y (1) a kąt nachylenia średniego gradientu temperatury od osi walca z zależności: G = arc tg (G x /G y ) (2) Mikrostrukturę badano za pomocą analizatora obrazu i mikroskopu skaningowego Wyniki badań i ich analiza Rys. 4. Schemat rozmieszczenia termoelementów w formie Fig. 4. Diagram of distribution a thermocouples in the mould Badania warunków krzepnięcia Zmianę wartości składowych gradientu temperatury G y i G x w okresie wzrostu fazy przedstawiono na przykładzie odlewu ze stopu AlSi8,7 krzepnącego w formie z piasku kwarcowego na rys.5. Zmianę wartości średnich gradientu temperatury i kata jego nachylenie względem osi walca w odlewach ze stopów AlSi8,7 i AlSi6,8 krzepnących w formach z różnych materiałów przedstawiono na rys. 6.

5 gradient temperatury G, C/cm kąt nachylenia G, G, [ ] gradient temperatury G, C/cm kąt nachylenia G, G [ ] temperatura, C gradient temperatury, C/cm temperatura, C gradient temperatury, C/cm 158 a) G1 9 7 b) G32 ( x=9-5=4 mm) G31 G G G3 G T4 T5 T2 T3 T czas, s czas, s Rys. 5. Krzywe stygnięcia i zmiana gradientu temperatury w czasie wzrostu fazy w odlewie ze stopu AlSi8,7 w formie Kw-Kw: a) w osi walca (G 1, G 2, G 3, G 4 odpowiednio w odległości y = 5; 15; 25; 35 mm), b) na promieniu walca (G 31, G 32 dla y=25 mm odpowiednio w odległości x=5 ; 9 5 mm, G 41 dla y=35 i x=5 mm) Fig. 5. Cooling curves and change in temperature gradient during the growth of -phase in an AlSi8,7 cast from the Kw-Kw mould: a) along cylinder axis (G 1, G 2, G 3, G 4 in the distances y=5; 15; 25; 35mm, respectively); b) along cylinder radius (G 31, G 32 for y=25mm in the distances x=5 ; 9 5 mm, respectively, G 41 for y=35 and x=5 mm) 1-1 a) 35 G Mi-Och G(Kw-Kw) 7 6 b) 35 G Mi-Och G(Ch-Ch) G(Kw-Kw) 5 4 G Kw-Och G(Kw-Och) G Kw-Kw G Kw-Och G(Kw-Och) 15 5 G Ch-Ch G Kw-Kw G(Mi-Och) odległość od podstawy walca, mm G(Mi-Och) odległość od podstawy walca, mm Rys. 6. Zależność wartości średniej gradientu temperatury w czasie wzrostu fazy w funkcji odległości od podstawy walca w odległości 5 mm od osi walca; a) odlew ze stopu AlSi8,7, b) odlew ze stopu AlSi6,8. Kw-Kw, - oznaczenie formy tabl. 1 Fig. 6. Dependence of average temperature gradient during the growth of -phase as function of the distance from cylinder base - 5mm from the cylinder axis: a) an AlSi8,7 cast; b) an AlSi6,8 cast, Kw-Kw, - mould designation Table 1

6 159 Badania parametrów mikrostruktury Mikrostrukturę fazy i eutektyki przedstawiono na przykładzie odlewu ze stopu AlSi6,8 wykonanego w formie Kw-Kw (masa z piasku kwarcowego) na rys. 7. W badanych warunkach krzepnięcia tj. zmiany gradientu temperatury G=2,9 22,6 ºC/cm i kąta nachylenia gradientu temperatury względem osi walca G = 4,4 69,3 º, uzyskano zmianę wartości parametrów mikrostruktury w odlewach dla: średniej grubości gałęzi dendrytów fazy, d = 21,6 56,4 m, średniego kąt nachylenia dendrytów fazy względem osi walca, = 14,2 51,9 º, stopienia wzajemnej orientacji dendrytów fazy, Z =,27,82, grubości wydzieleń Si w eutektyce, g 1 =,82 3,7 m, ilorazu długości i grubości wydzieleń Si w eutektyce, I 1 = 3,2 12,9, grubości wydzieleń (szkieletu) fazy zawierającej żelazo,,9 22,4 m. a) b) Rys. 7. Mikrostruktura dendrytów fazy (a) i Si eutektycznego (b) w odlewie ze stopu AlSi6,8 w odległości 5 mm od osi walca i 25 mm od podstawy walca (lewa krawędź fotografii równoległa do podstawy walca); zgład trawiony % NaOH Fig. 7. Microstructure of -phase dendrites (a) and Si in the eutectic (b) for an AlSi6,8 cast, 5mm from cylinder axis and 25mm from cylinder base (the left-hand edge of the picture being parallel to the cylinder base); etched section % NaOH Zależność parametrów (d,, i Z ) mikrostruktury fazy od warunków krzepnięcia zilustrowano na rys. 8. Średni kąt nachylenia dendrytów fazy w funkcji średniego kąta nachylenia gradientu temperatury nie zmienia się wg linii a (rys. 8b), ponieważ poza gradientem temperatury mają na niego wpływ także inne czynniki. Tymi czynnikami mogą być: odrywanie się kryształów od powierzchni formy [3], ruch fazy ciekłej związany z zalewaniem formy i konwekcją [4]. Omawiane parametry dendrytów fazy w odlewach z podeutektycznych siluminów o różnym składzie chemicznym (lub z określonego stopu) krzepnących w zmiennych warunkach cieplnych (intensywność

7 stopień wzajemnej orientacji dendrytów kąt nachylenia dendrytów względem osi walca [ ] średnia grubość gałęzi dendrytów, m 16 wymiany ciepła i zróżnicowanie przepływu ciepła w kierunku promieniowym i osiowym) można opisać funkcjami podanymi na rys. 8. a) b) c) ,8,6,4,2 d a = 95,9G -,498 R =,98 gradient temperatury G, C/cm = 9,13 G,397 R =, kąt nachylenia gradientu temperatury względem osi walca [ ] a Z = -,1 +,85 R =, kąt nachylenia gradientu temperatury względem osi walca [ ] Rys. 8. Zależność parametrów dendrytów fazy w odlewach z podeutektycznych siluminów od cieplnych warunków krzepnięcia: a) średnia grubość gałęzi dendrytów, b) średni kąt nachylenia dendrytów względem osi walca, c) stopień wzajemnej orientacji dendrytów Fig. 8. Dependence of parameters of -phase dendrites in sub-eutectic silumin casts on thermal conditions of the solidification: a) average thickness of dendrite branches; b) average angle of dendrite inclination with respect to cylinder axis; c) the degree of orientation of the dendrites

8 161 Parametry mikrostruktury Si w eutektyce (g 1 i I 1 ) zależą od wartości G i jakości metalurgicznej stopu (niemodyfikowany, modyfikowany), a grubość wydzieleń faz żelazowych od G i zawartości żelaza w stopie. Dlatego dla odlewów ze stopów modyfikowanych i niemodyfikowanych oraz o różnej zawartości żelaza parametrów mikrostruktury g 1, I 1 i g 2 w funkcji G nie można opisać z zadawalającym współczynnikiem korelacji. Jak można było przypuszczać, wpływ G na parametry tych faz jest wyraźny i jednoznaczny tylko w odlewach z określonego stopu i o podobnej jakości metalurgicznej. Zależność tych parametrów w funkcji gradientu temperatury można opisać zależnościami: parametry wydzieleń Si eutektycznego w odlewach ze stopów niemodyfikowanych o zawartości Fe poniżej,2 % (gdzie: G wyrażone jest w ºC/cm) grubość wydzieleń fazy zawierającej żelazo odlewy z siluminu (,13 % Fe) odlewy z siluminu (,32 % Fe) 4. WNIOSKI,272 g 1 3, 9 G, m R=,97 (3),6 I 1 17, 1 G R=,96 (4),416 g 2 3, 1 G, m R=,94 (5) 1,1 g 2 57, 1 G, m R=,97 (6) Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski: 1. Gradientem temperatury można opisać zależność parametrów mikrostruktury dla: średniej grubości gałęzi dendrytów uwzględniając odlewy z podeutektycznych siluminów o różnym składzie chemicznym i o różnej jakości metalurgicznej, średniej grubości wydzieleń Si w eutektyce, ilorazu długości i grubości tych wydzieleń (w odlewach ze stopów o podobnej jakości metalurgicznej) i grubości wydzieleń faz zawierających żelazo (w odlewach o podobnej zawartości żelaza). 2. Kątem nachylenia gradientu temperatury można opisać zależność parametrów mikrostruktury dla: kąta nachylenia dendrytów i stopnia wzajemnej orientacji dendrytów uwzględniając odlewy z różnych stopów i o różnej jakości metalurgicznej. LITERATURA [1] Hajkowski M., Prognozowanie właściwości mechanicznych odlewów z podeutektycznych siluminów na podstawie procesów cieplnych i struktury krystalicznej, rozprawy nr 376, Poznań, Wyd. Politechniki Poznańskiej, 3. [2] Holmanova M., Prispévek ke kristalizaci eutektickych siluminu, Slevarenstvi, 1975, nr 3/4, s [3] Ohno A., Moteli T., Formation Mechanizm of Equiaxed Zonens in Cast Metals, Instytut Cast. Met. Japan, 1977, vol. 2, nr 1, s. 28. [4] Braszczyński J., Teoria procesów odlewniczych, Warszawa, PWN 1989.

9 162 CONDITIONS OF SILUMIN CAST SOLIDIFICATION AGAINST ITS MICROSTRUCTURAL PARAMETERS SUMMARY The paper presents results of the studies microstructural parameters and solidification conditions affected by various materials of the mould. An analytical relationship is provided, binding the parameters of microstructure of the casts made of hypoeutectic silumins with temperature gradient and the angle of its inclination with respect to the cylinder axis. Recenzował Prof. Józef Gawroński