MAKROSTRUKTURA STOPU AlSi17Cu5Mg PO KRYSTALIZACJI W METALOWEJ KOKILI Z NADSTAWKĄ IZOLACYJNĄ.

Transkrypt

1 20/38 Solidification of Metals and Alloys, No. 38, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 38, 1998 PAN Katowice PL ISSN MAKROSTRUKTURA STOPU AlSi17Cu5Mg PO KRYSTALIZACJI W METALOWEJ KOKILI Z NADSTAWKĄ IZOLACYJNĄ. Aleksander Smoliński, Franciszek Binczyk, Jarosław Piątkowski Katedra Technologii Stopów Metali i Kompozytów, Politechnika Śląska Katowice, ul. Krasińskiego 8. POLAND STRESZCZENIE W poszukiwaniu nowych materiałów mogących znaleźć zastosowanie m.in. w technice motoryzacyjnej, zwrócono uwagę na nadeutektyczny stop AlSi17Cu5Mg, charakteryzujący się interesującym zespołem właściwości mechanicznych. Od tego typu stopów wymaga się małego współczynnika rozszerzalności cieplnej, co wiąże się z małą wartością skurczu objętościowego i liniowego. Stąd wynika konieczność badań w tym kierunku. Jedną z metod jest ocena skłonności do tworzenia jamy skurczowej i porowatości rozsianej na drodze badań makrostruktury. W pracy przedstawiono wyniki badań modelowych zmierzających do oceny charakteru tworzących się nieciągłości makrostruktury. Próby przeprowadzono po zestawieniu stanowiska pomiarowego, rejestrując krzywe stygnięcia na różnych poziomach badanych wlewków. Dla zróżnicowania warunków stygnięcia stosowano nadstawki z samoekspandujących mas termoizolacyjnych. WPROWADZENIE Coraz szersze zastosowanie stopów aluminium jest wymuszane rozwijającym się przemysłem, w którym dominuje zarówno aspekt zapewnienia wysokich właściwości wytrzymałościowych, jak i aspekt ekonomiczny. Nadeutektyczne siluminy, których interesujący zespół właściwości jest omówiony w licznych publikacjach, mają perspektywy coraz szerszego zastosowania, między innymi w technice motoryzacyjnej. Problemowi wyjaśnienia szeregu zjawisk zachodzących w tych stopach, a mających wpływ na właściwości poświęcono prace [1,2,3,4,5]. Ujemną cechą niektórych nadeutektycznych stopów Al jest skłonność do tworzenia jam skurczowych oraz pęcherzy gazowych. Powstawaniu ich można zapobiegać między innymi stosując wkładki izolacyjne w układach zasilających odlew.

2 126 PROBLEM BADAWCZY W pracach [6,7,8,9] przedstawiono technologię otrzymywania nowych samoekspandującch i samowiążących ceramicznych tworzyw termoizolacyjnych. Założenia tej technologii opierają się o reakcje zachodzące pomiędzy spoiwem fosforanowym glinowo chromowym, a produktami samorozsypywania się stopu Fe-Al. Osnowę stanowią materiały odpadowe zawierające ok. 20% Al 2 O 3. Poprzez dobór dodatków tlenków niektórych metali istnieje możliwość sterowania procesem ekspandowania, a tym samym morfologią porów. Można więc otrzymywać tworzywa izolacyjne o współczynniku przewodnictwa cieplnego w zakresie 0,2 do 0,5 W/m K. Zaletą tych tworzyw jest możliwość wykonania techniką odlewniczą wkładek izolacyjnych o skomplikowanych kształtach, w trudno dostępnych miejscach formy odlewniczej. Ich zastosowanie pozwala na ukierunkowanie i wydłużenie procesu krystalizacji stopu, a tym samym eliminację nieciągłości struktury. PRZEBIEG I WYNIKI BADAŃ Badania nad kształtowaniem się porowatości skurczowej przeprowadzono dla pięciu nadstawek o własnościach podanych w tablicy 1. Tabl.1. Tworzywa stosowane na nadstawki w modelowym układzie pomiarowym. lp Rodzaj tworzywa Nadstawki Gęstość pozorna [g/cm 3 ] Współczynnik przewodnictwa cieplnego [W/m K] 1 Samoekspandująca masa izolacyjna 0,65 0,22 Modyfikowana dodatkiem MgO 2 Samoekspandująca masa izolacyjna 0,81 0,38 3 Masa na osnowie mikrosfer wiązana 0,84 0,28 Spoiwem fosforanowym 4 Syntetyczna masa formierska (piasek 1,85 0,60 Kwarcowy + 8 cz. wag. Bentonitu) suszona w temp. otocz. 48 godz. 5 Grafit elektrodowy 1, Modelowy układ badawczy stanowiła kokila stalowa wraz z nadstawką izolacyjną, przedstawiony na rys.1. Przydatność opracowanych i wytypowanych do badań nadstawek izolacyjnych sprawdzono dla stopu AlSi17Cu5Mg (stop na tłoki silników spalinowych), wytopionego ze składników syntetycznych w tyglowym piecu oporowym. Po roztopieniu składników stop poddano rafinacji przy pomocy preparatu Rafglin-2 w ilości 0,3%, a następnie odlewano do kokili stalowej (temperatura odlewania ~800 o C). Jak wiadomo, kinetyka tworzenia jamy skurczowej i porowatości w znacznym stopniu zależy od czasu. Dlatego kokilę badawczą przed pomiarami podgrzewano do temperatury 250 ± 20 o C, ustalonej doświadczalnie. Kryterium oceny krystalizacji i kształtowania się porowatości skurczowej stanowiły badania analizy termicznej{t=f(t), ATD i DTA}, badania makrostrukturalne oraz pomiary gęstości i porowatości odlewów. Przebieg krzepnięcia odlewów rejestrowano na czterech poziomach pomiarowych umieszczając w osi odlewu

3 127 Rys.1 Schemat układu pomiarowego. Fig.1. Scheme of measurement system. termoelementy płaszczowe (NiCr-NiAl) typu TP-202K Sygnały z termoelementów podawano na rejestrator temperatury MC-201, a następnie przy pomocy programu komputerowego ANALDTA [10], wykreślano krzywe analizy termicznej. Przykładowe wykresy T=f(t) i ATD dla odlewu z nadstawką z masy samoekspandującej (z dodatkiem MgO) przedstawiono na rys. 2. Na rys 3 (dla tej samej próbki) wykreślano różnice temperatury odlewu pomiędzy obszarem nadstawki (poziom 4), a poszczególnymi poziomami pomiarowymi (wykresy DTA). Z uzyskanych przebiegów analizy termicznej odczytano następujące parametry: - czas, po którym kończy się krystalizacja (T sol ) na poszczególnych poziomach pomiarowych, - - różnicę pomiędzy czasem uzyskania T sol w obszarze nadstawki, a najniższym punktem pomiarowym (poziom 1 ), T[ o C] - różnicę temperatury odlewu na poziomie 4 i 1 w momencie dojścia do temperatury T sol (na danym poziomie pomiarowym). Wyniki tych odczytów zamieszczono w tablicy 2. Warunkiem usunięcia jamy skurczowej, a także porowatości jest zapewnienie krzepnięcia kierunkowego w taki sposób aby proces kończył się w obszarze nadstawki izolacyjnej. Warunek ten będzie spełniony zwłaszcza wtedy, gdy odczytane z krzywych krzepnięcia parametry będą się kształtowały następująco. Czas zakończenia krystalizacji ( ) na poszczególnych poziomach pomiarowych winien ulegać znacznemu wydłużeniu, w miarę zbliżania się do poziomu nadstawki. W taki sposób zmienia się czas dla nadstawki z masy samoekspandującej zwłaszcza z dodatkiem MgO, a także z masy na bazie mikrosfer. Mikrosfery znane ze swoich właściwości izolacyjnych potwierdziły dobre właściwości proponowanych mas samoekspandujących. Krańcowym przykładem niekorzystnego oddziaływania pod tym względem tworzywa nadstawki jest grafit. Początek krystalizacji odlewu ma miejsce w obszarze nadstawki. Jama skurczowa (porowatość) nie ma więc możliwości ukształtowania się w nadstawce i ulega zatrzymaniu w obszarze środkowym odlewu. Stąd zbliżone czasy krystalizacji na poziomach 2 i 3.

4 128 Rys.2 Wykres analizy termicznej T=f(t) i ATD dla odlewu przy zastosowaniu nadstawki termoizolacyjnej (skjp6). Fig.2 T=f(t) and ATD thermal analysis diagram for cast using thermoisulating hot top. Tabl.2. Dane odczytane z wykresów analizy termicznej T=f(t), ATD i DTA oraz wyniki pomiarów gęstości i porowatości odlewów. Poz. 1 Poz. 2 Poz. 3 Poz.4 Gęst. Porow. Lp Tworzywo nadstawki (oznacz. pliku) T [ o C] T [ o C] T [ o C] ρ [g/cm 3 ] P [%] 1 Masa samoeksp. + MgO (skjp6) ,63 6,41 2 Masa samoekspandująca (skjp3) ,59 8,18 3 Masa mikrosferowa (skjp5) ,57 8,54 4 Masa formierska bentonitowa (skjp4) , Nadstawka grafitowa (skjp7) ,47 12,01

5 129 Rys3. Różnice temperatury odlewu pomiędzy obszarem nadstawki, a pozostałymi poziomami pomiarowymi (skjp6). Fig.3. Temperature difference of cast between a hot top of mould and another measurements level. Kolejnym parametrem świadczącym o kierunkowości krzepnięcia odlewu jest różnica temperatury T pomiędzy obszarem nadstawki odlewu, a określonym poziomem pomiarowym w momencie zakończenia (na tym poziomie) krystalizacji (T sol ). Im ta różnica jest mniejsza i znacząco zmniejsza się w miarę zbliżania do powierzchni nadstawki, tym lepsze są warunki do krzepnięcia kierunkowego. Taki przebieg T wykazały odlewy z tworzyw 1, 2 i 3. A więc jak poprzednio, są to tworzywa o najlepszych właściwościach izolacyjnych. Zdecydowanie najgorszy jest pod tym względem grafit (różnica ujemna), nieco lepsza nadstawka z tradycyjnej masy formierskiej. Obserwacje makrostruktury otrzymanych wlewków dokonane po ich przecięciu wzdłuż osi symetrii, w pełni potwierdzają wyniki analizy krzywych DTA i ATD. W miarę wzrostu właściwości izolacyjnych tworzywa nadstawki charakterystyczna jama skurczowa zmienia kształt i położenie. Dla tworzyw 1, 2 i 3 nie zaobserwowano powstania jamy skurczowej oraz pęcherzy gazowych w odlewach. Potwierdzeniem obserwacji makrostrukturalnych są wyniki pomiarów gęstości rzeczywistej odlewów oraz porowatości obliczonej z zależności: P = (1- ρ t /ρ RZ ) 100 %. gdzie : ρ t - gęstość teoretyczna badanego stopu równa 2,81 g/cm 3, ρ rz - gęstość rzeczywista.

6 130 Wyniki tych pomiarów oraz obliczeń przedstawiono w tablicy 2. Wyniki oznaczeń porowatości wskazują na obecność w odlewach zarówno porowatości skurczowej jak i gazowej. Wydłużenie czasu krzepnięcia odlewów umożliwia częściowe zmniejszenie porowatości, przy czym najprawdopodobniej likwidowana jest porowatość skurczowa. Nadstawka grafitowa powoduje natychmiastowe zakrzepnięcie stopu, co całkowicie uniemożliwia usunięcie porowatości skurczowej i gazowej. Aktualnie prowadzone są kompleksowe badania nad stopem AlSi17Cu5Mg. Główne kierunki tych badań to modyfikacja, pomiary skurczu liniowego i rozszerzenia przedskurczowego, oraz kierunek będący przedmiotem niniejszego opracowania. LITERATURA [1]. Poniewierski Z.: Krystalizacja, struktura i własności siluminów, WNT Warszawa [2]. Wasilewski P.: Siluminy modyfikacja i jej wpływ na strukturę i właściwości, Krzepnięcie Metali i Stopów, z. 21, PAN Katowice [3]. Górny Z.: Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT Warszawa [4]. Pietrowski St., Władysiak R.: Ocena efektu modyfikacji siluminu nadeutektycznego metodą ATD, Krzepnięcie Metali i Stopów, t.17, PAN-Katowice, 1992r, ss [5]. Kohler W.: Metall 16, 1962, [6]. Smoliński A.: Drobnodyspersyjne ośrodki porowate, Inż. Materiałowa, 1994,s [7]. Smoliński A., Gierek A., Binczyk F.: Porous ceramic composite masses, Proc. 4tf European Conference on Advanced Materials and Process, EUROMAT 95, Venice/Padwa, Italy [8]. Smoliński A.: Wytwarzanie in situ ekspandujących otulin nadlewów z porowatej masy ceramicznej, Konferencja - Nowe procesy i materiały- ODLEWNICTWO XXI WIEKU, IO Kraków [9]. Smoliński A., Gierek A., Binczyk F.: Physical-chemical phenomena during the formation of the in situ expending heat-insulating composite masses.euromat 97 Maastricht- NL April [10].Podolski P.: Program komputerowy ANALDTA, Wersja 1.6 Pol. Śl. Katowice, MACROSTRUCTURE OF ALSI17CU5MG AFTER CRYSTALLISATION IN METAL MOULD WITH INSULATION BUSH ABSTRACT Searching for new materials which can be used among other things, in the motorization engineering, the AlSi17Cu5Mg hypereutectic alloy having an interesting set of mechanical properties was found. A low thermal expansion coefficient is required from that kind of an alloy, which is connected, with a low value of the contraction in volume and the linear contraction. For that reason it is necessary to conduct the investigations in this direction. An evaluation of susceptibility to the formation of the contraction cavity and dispersed porosity in the terms of the macrostructure investigations is one of the methods. Results of model investigations aiming at an evaluation of the character of the formed macrostructure discontinuities have been presented in the work. The trials were made after assembling a measurement stand and the cooling curves were registered at different levels of the tested ingots. To differentiate the cooling conditions the self-expanding thermoinsulating mass hot tops were used.