PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA TRANSACTIONS OF FOUNDRY RESEARCH INSTITUTE

Transkrypt

1

2 PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA TRANSACTIONS OF FOUNDRY RESEARCH INSTITUTE Tom LII 2012 Numer 4 SPIS TREŚCI Volume LII 2012 Number 4 CONTENTS 1. JERZY J. SOBCZAK: Od Redakcji ZBIGNIEW GÓRNY, STANISŁAWA KLUSKA-NAWARECKA, KRZYSZTOF SAJA: Wpływ modyfikacji węglikiem wapnia na właściwości mechaniczne brązu BA TOMASZ REGUŁA, PIOTR DUDEK, ALEKSANDER FAJKIEL: Efekt dodatku Ca na mikrostrukturę oraz właściwości mechaniczne stopu AZ ARTUR KUDYBA, ALEKSANDRA SIEWIOREK, NATALIA SOBCZAK: Wpływ zawartości Zn oraz temperatury na lutowność niklu stopami Sn-xZn (x = 4,5; 90; 95% wag.) ADAM KLASIK, JERZY J. SOBCZAK, KRYSTYNA PIETRZAK, ANDRZEJ GAZDA, NATALIA SOBCZAK: Wybrane właściwości termofizyczne kompozytów aluminiowych poddanych wielokrotnemu przetopieniu KRYSTYNA PIETRZAK, ADAM KLASIK, KATARZYNA MAKOWSKA, JERZY J. SOBCZAK, ANDRZEJ WOJCIECHOWSKI, DARIUSZ RUDNIK: O tłumieniu drgań w materiałach kompozytowych PIOTR DŁUGOSZ, PAWEŁ DARŁAK, WŁODZIMIERZ BOCHNIAK: Innowacyjna metoda wytwarzania prętów kompozytowych zbrojonych materiałami odpadowymi.. 8. TOMASZ REGUŁA, PIOTR DUDEK: Zmiany charakterystyk mikrostrukturalnych stopu PA9 pod wpływem ciśnienia prasowania KRZYSZTOF JAŚKOWIEC, WALDEMAR UHL: Stop na bazie Fe-Al aspekt technologiczny ANDRZEJ GWIŻDŻ, ROBERT ŻUCZEK: Analiza stanu naprężeń w konstrukcjach odlewu korpusu, pokrywy i klina zasuw klinowych do gazu KRYSTYNA RABCZAK, PAWEŁ WOJNAROWSKI: Centrum Naukowych Baz Danych jako podstawa i wsparcie badań naukowych w Instytucie Odlewnictwa. Realizacja systemu infrastruktury informatycznej Podziękowania dla Recenzentów Spis roczny artykułów JERZY J. SOBCZAK: From Editors ZBIGNIEW GÓRNY, STANISŁAWA KLUSKA-NAWARECKA, KRZYSZTOF SAJA: Effect of calcium carbide modification on the mechanical properties of BA 1044 bronze TOMASZ REGUŁA, PIOTR DUDEK, ALEKSANDER FAJKIEL: The effect of Ca addition on the microstrukture and mechanical properties of AZ91 alloy ARTUR KUDYBA, ALEKSANDRA SIEWIOREK, NATALIA SOBCZAK: Effect of zinc content and temperature on nickel solderability with Sn-xZn (x = 4.5, 90, 95 wt%) alloys ADAM KLASIK, JERZY J. SOBCZAK, KRYSTYNA PIETRZAK, ANDRZEJ GAZDA, NATALIA SOBCZAK: Selected thermophysical properties of aluminum matrix composites subjected to multiple remelting KRYSTYNA PIETRZAK, ADAM KLASIK, KATARZYNA MAKOWSKA, JERZY J. SOBCZAK, ANDRZEJ WOJCIECHOWSKI, DARIUSZ RUDNIK: On the damping capacity of composite materials PIOTR DŁUGOSZ, PAWEŁ DARŁAK, WŁODZIMIERZ BOCHNIAK: An innovative method for the fabrication of composite rods reinforced with waste materials TOMASZ REGUŁA, PIOTR DUDEK: Changes in the microstructure of PA9 alloy under the effect of squeeze pressure KRZYSZTOF JAŚKOWIEC, WALDEMAR UHL: Technological aspects of alloys based on the Fe-Al system ANDRZEJ GWIŻDŻ, ROBERT ŻUCZEK: Analysis of the state of stress in cast bodies, covers and wedges of the wedge gate valves used in gas networks KRYSTYNA RABCZAK, PAWEŁ WOJNAROWSKI: Scientific Databases Center as a basis and support for research in the Foundry Research Institute. Implementation of IT system Thanks to Reviewers Annual list of publications

3 Wydawca: INSTYTUT ODLEWNICTWA KOLEGIUM REDAKCYJNE: Jerzy Józef SOBCZAK (Redaktor Naczelny), Andrzej BALIŃSKI (Z-ca Redaktora Naczelnego), Andrzej BIAŁOBRZESKI, Zbigniew GÓRNY, Stanisława KLUSKA-NAWARECKA, Natalia SOBCZAK, Józef Szczepan SUCHY, Joanna MADEJ (Sekretarz Redakcji) Redaktor statystyczny: Krystyna RABCZAK Redaktorzy tematyczni: Natalia SOBCZAK (chemia fizyczna), Marta KONIECZNA (odlewnictwo), Andrzej GAZDA (inżynieria materiałowa), Piotr DUDEK (metalurgia) KOMITET NAUKOWY: Simeon AGATHOPOULOS (Grecja), Rajiv ASTHANA (USA), Dana BOLIBRUCHOVÁ (Słowacja), Andreas BÜHRIG-POLACZEK (Niemcy), Józef DAŃKO, Ludmil DRENCHEV (Bułgaria), Natalya FROUMIN (Izrael), Hidetoshi FUJII (Japonia), Edward GUZIK, Marek HETMAŃCZYK, Mariusz HOLTZER, Milan HORACEK (Czechy), Werner A. HUFENBACH (Niemcy), Jolanta JANCZAK-RUSCH (Szwajcaria), Olga LOGINOVA (Ukraina), Enrique LOUIS (Hiszpania), Luis Filipe MALHEIROS (Portugalia), Adam MAZURKIEWICZ, Tadeusz MIKULCZYŃSKI, Sergei MILEIKO (Rosja), Kiyoshi NOGI (Japonia), Władysław ORŁOWICZ, Alberto PASSERONE (Włochy), Klaus-Markus PETERS (USA), Stanisław PIETROWSKI, Krystyna PIETRZAK, Wojciech PRZETAKIEWICZ, Pradeep Kumar ROHATGI (USA), Sudipta SEAL (USA), Jan SZAJNAR, Michał SZWEYCER, Roman WRONA, Paweł ZIĘBA Publikowane artykuły były recenzowane Projekt okładki: ENTER GRAF, Kraków Skład komputerowy: Anna Samek-Bugno Korekta wydawnicza: Marta Konieczna, Anna Samek-Bugno ADRES REDAKCJI: Prace Instytutu Odlewnictwa Kraków, ul. Zakopiańska 73 tel. (12) , fax (12) Copyright by Instytut Odlewnictwa Żadna część czasopisma nie może być powielana czy rozpowszechniana bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich Printed in Poland ISSN (print version) ISSN X (online)

4 Drodzy Czytelnicy, To w roku 2008 oddaliśmy w Państwa ręce pierwszy numer reaktywowanych Prac Instytutu Odlewnictwa, które po wielu latach nieobecności pojawiły się w nowej szacie graficznej i ze zmienioną koncepcją merytoryczną na rynku wydawniczym, poświęconym głównie badawczym aspektom nauk odlewniczych. Tym samym podjęliśmy wyzwanie kontynuacji po latach przerwy edytorskiej publikacji naszego wieloletniego instytutowego czasopisma naukowego, wciąż mając w pamięci jego wysoką renomę, budowaną przez lata z udziałem znakomitych i zasłużonych uczonych oraz praktyków z branży odlewniczej. Wznawiając przed czterema laty nasze wydawnictwo, zapragnęliśmy możliwie najpełniej pokazać czym się zajmujemy, czym dysponujemy, co osiągamy i co zamierzamy w nieodległej i tej dalszej przyszłości. Pragnęliśmy stworzyć w miarę uporządkowany, w zamyśle chronologiczny zbiór, opisujący nasze poczynania naukowo-badawcze, dzięki któremu Czytelnicy mieliby możliwość wyrobienia sobie wszechstronnego poglądu na rozwój Instytutu oraz przebieg realizacji jego misji i strategii. Mieliśmy i niezmiennie nadal mamy nadzieję, że Prace przyczynią się do swobodnej i owocnej wymiany myśli naukowej w środowisku odlewniczym, że pozyskamy jeszcze bogatsze spectrum Autorów, którzy zechcą prezentować wyniki swych prac na łamach naszego czasopisma, w tym zwłaszcza dzieła realizowane wspólnie z pracownikami Instytutu Odlewnictwa, upatrując w tym również czynnik integrujący nasze środowisko i wzbogacający współpracę wzajemną o efekt synergii. Do Komitetu Naukowego Prac Instytutu Odlewnictwa zaprosiliśmy wybitnych uczonych, uznanych specjalistów z zakresu odlewnictwa, inżynierii materiałowej, technologii budowy maszyn i metalurgii, zarówno z Polski, jak i zagranicy. Wszystkie dotychczas publikowane prace były recenzowane oraz częściowo tłumaczone na język angielski. Równolegle z wydawaniem wersji drukowanej uruchomiliśmy stronę internetową czasopisma ( ogólnie dostępną i przyjazną w obsłudze. W ten sposób włączyliśmy się w nurt szeroko postulowanego i coraz częściej praktykowanego ruchu otwartej nauki (Open Access), udostępniając Szanownym Czytelnikom pełnotekstowe artykuły Autorów, z którymi mamy możliwość satysfakcjonującej współpracy. To Paulo Coehlo dobitnie zauważył, iż ludzie tęskniąc za całkowitą odmianą pragną jednocześnie, by wszystko pozostało takie jak dawniej. Stąd też i my, Kolegium Redakcyjne, w porozumieniu z Komitetem Naukowym, podjęliśmy decyzję o wprowadzeniu zmian, które w jeszcze większym stopniu żywimy taką nadzieję odpowiadać będą potrzebom wszystkich tych, do których adresujemy zawartość naszych Prac. Będziemy jednocześnie pilnie baczyć, aby proponowane inicjatywy nie zawierały zbyt radykalnych posunięć i nie stanowiły potwierdzenia zasady tradycyjnego konserwatyzmu myślowego, który każe mniemać, iż każda zmiana może być tylko zmianą na gorsze. 3

5 Obecny numer Prac Instytutu Odlewnictwa jest pierwszym zeszytem dwujęzycznym, który zawiera pełne tłumaczenia w języku angielskim artykułów opublikowanych w języku polskim. Stało się to możliwe dzięki życzliwości Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, które doceniło nasze dotychczasowe starania i w istotnym stopniu umożliwiło realizację planowanych innowacyjnych inicjatyw dostosowawczych w ramach programu INDEX PLUS Celem wiodącym wspomnianego programu jest nadanie międzynarodowego charakteru polskim czasopismom naukowym oraz podniesienie ich międzynarodowej pozycji. Pozostaje nam żywić nadzieję, że szczytne zamierzenia i cele, które sobie postawiliśmy będą w pełni zrealizowane wraz z osiągnięciem tak wyczekiwanych wymiernych efektów jak dalszy wzrost naukowego i edytorskiego poziomu publikacji, zwiększenie grona Czytelników i Autorów oraz znajdą swoje odbicie w istotnym podniesieniu rangi i pozytywnym odbiorze Prac Instytutu Odlewnictwa. Jerzy Józef Sobczak Redaktor Naczelny Kraków, 6 listopada 2012 r. 4

6 PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA Tom LII Rok 2012 Zeszyt 4 DOI: /iod WPŁYW MODYFIKACJI WĘGLIKIEM WAPNIA NA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE BRĄZU BA 1044 Zbigniew Górny, Stanisława Kluska-Nawarecka, Krzysztof Saja Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, Kraków Streszczenie Badano wpływ przesycania z chłodzeniem mikrostrumieniowym w czasie przesycania oraz modyfikowania C + Ca i CaC 2 stopu BA1044 w stanie lanym, przesycanym i ulepszanym cieplnie. Modyfikowanie oraz przesycanie są wyraźnie korzystne w stanie ulepszonym cieplnie dla R p0,2. Wyżarzanie wysokotemperaturowe pozwala na uzyskanie wyższych właściwości plastycznych, a nisokotemperaturowe wyższych właściwości wytrzymałościowych. Słowa kluczowe: brąz aluminiowy, modyfikacja, starzenie, obróbka cieplna, właściwości mechaniczne Wprowadzenie W ramach kompleksowych badań nad modyfikacją brązów aluminiowych sięgnięto do znanego rafinatora stopów miedzi karbidu. Ponieważ jednak i wapń, i węgiel wpływają na strukturę i właściwości brązów aluminiowych, przeprowadzono badania porównawcze, a mianowicie dodatków Ca + C oraz dodatku CaC 2. Odniesieniem dla uzyskanych właściwości mechanicznych były ich wartości dla odlewów niemodyfikowanych. Stosowana równocześnie obróbka cieplna: przesycania P (hartowania) oraz ulepszania cieplnego tzn. przesycania i starzenia (odpuszczania) miała na celu potwierdzenie wpływu chłodzenia z wykorzystaniem mikrojetu przy przesycaniu oraz istotnego wpływu obróbki cieplnej na właściwości mechaniczne. W oparciu o uprzednie badania wprowadzono dwie temperatury starzenia, a mianowicie starzenia wysokotemperaturowego (700 C) oraz niskotemperaturowego (350 C). Stosowanie starzenia wysokotemperaturowego związane jest z przejściem w stanie stałym do struktury β (betatyzacja); ten typ obróbki cieplnej tzn. przesycanie i starzenie wysokotemperaturowe zapewnia relatywnie dobre właściwości plastyczne przy korzystnych właściwościach wytrzymałościowych. Natomiast przesycanie i starzenie niskotemperaturowe pozwala na uzyskanie wysokich właściwości wytrzymałościowych, kosztem obniżenia właściwości plastycznych. Przedmiotem badań był znany powszechnie brąz BA 1044 (CuAl10Fe4Ni4), znajdujący się w normie PN-EN 1982:

7 Z. Górny, S. Kluska-Nawarecka, K. Saja Warunki badań Przyjęty i opatentowany sposób topienia (patent P ) obejmował, dla stopu przygotowanego z gąsek dostarczanych przez Prasownię i Rafinerię Metali Hutmen we Wrocławiu, następujące czynności: topienie z udziałem rafinatora Longgaz (130 dag), przegrzewanie, ściągnięcie żużla, odtlenianie (CuP), rafinowanie sprężonym azotem, dodanie rafinatora (130 dag), odtlenianie (Mg), usunięcie żużla, modyfikowanie i odlewanie próbek w temperaturze 1250 C. Topienie przeprowadzono w piecu indukcyjnym wysokiej częstotliwości (Radyne AMF/45, 2,3 khz, o pojemności tygla 45 kg). Przy wsadzie gąsek około 40 kg stosowano: odtlenianie 46 g CuP10 oraz 40 g Mg, rafinowanie sprężonym azotem (8 minut przy nadciśnieniu wypływającego gazu 0,1 0,2 bar). modyfikowanie równoczesne wapniem i węglem polegało na wprowadzeniu 30 g zaprawy AlCa85 i 60 g pyłu węglowego lub 73 g rozdrobnionego CaC 2. Pył węglowy lub drobnokawałkowaty modyfikator wprowadzono opakowany w folię aluminiową. Rysunek 1 przedstawia odlew próbki do badań wytrzymałościowych (a) i próbki w stanie surowym (po ubytkowej obróbce wstępnej) (b), a w tabeli 1 podano skład chemiczny gąsek oraz wytopów: 1 (stopu niemodyfikowanego), 2 (stopu modyfikowanego Ca + C) oraz 3 (stopu modyfikowanego CaC 2 ). Próbki odlewano do form piaskowych, w których spoiwo stanowiła żywica alkaliczna fenolowa utwardzana dwutlenkiem węgla. a) b) Rys. 1. Ogólny widok próbki: a) w stanie surowym i b) po wstępnej obróbce ubytkowej Tabela 1. Skład chemiczny gąsek oraz wytopów (% wag.) BA1044 Al Fe Mn Ni Si Zn Cu Wytop Ł (1) 9,50 4,45 0,17 4,20 0,22 0,30 reszta Wytop M (2) 9,70 4,45 0,17 4,30 0,20 0,15 reszta Wytop N (3) 10,30 4,45 0,18 4,50 0,18 0,15 reszta Gąska 10,00 4,50 0,15 4,10 0,23 0,30 reszta PN-EN 1982:2002 9,00 11,00 3,50 5,50 3,50 5,50 reszta 6 Prace IOd 4/2012

8 Wpływ modyfikacji węglikiem wapnia na właściwości mechaniczne brązu BA 1044 Zmodernizowane stanowisko do obróbki, tzw. mikrostrumieniowego chłodzenia (nazwa własna) przy przesycaniu przedstawia rysunek 2, a rysunek 3 przebieg przesycania. Natomiast rysunek 4 przedstawia piec i próbki do starzenia (do starzenia stosowano piec Mitetherm). Rys. 2. Ogólny widok zmodernizowanego stanowiska obróbki mikrojetowej (mikostrumieniowej) Rys. 3. Przebieg procesu mikrojetowego przesycania Rys. 4. Ogólny widok zastosowanego pieca do obróbki cieplnej wraz z próbkami do badań Pomiar temperatury, w czasie odlewania, prowadzono z wykorzystaniem termopar umieszczonych wewnątrz form piaskowych, co przedstawiono na rysunku 5a, natomiast sposób montażu termoelementu w próbce wzorcowej stosowany w procesach obróbki cieplnej zaprezentowano na rysunku 5b. Prace IOd 4/2012 7

9 Z. Górny, S. Kluska-Nawarecka, K. Saja a) b) Rys. 5. Rozmieszczenie termoelementów pomiarowych w formie podczas procesu zalewania (a); ogólny widok montażu termopary pomiarowej w próbce wzorcowej stosowany w procesach obróbki cieplnej (b) Rysunek 6 przedstawia przykładowy przebieg zmian temperatury przy przesycaniu z chłodzeniem mikrostrumieniowym. Natomiast przykładowe przebiegi zmian temperatury próbek w czasie starzenia przedstawia rysunek 7a i 7b. Temperatura T, C Czas τ, s Rys. 6. Przebieg zmian temperatury przy chłodzeniu mikrostrumieniowym 8 Prace IOd 4/2012

10 Wpływ modyfikacji węglikiem wapnia na właściwości mechaniczne brązu BA 1044 Temperatura T, C Czas τ, min Rys. 7. Przebieg zmian temperatury w procesie starzenia niskotemperaturowego Temperatura T, C Czas τ, min Rys. 8. Przebieg zmian temperatury w procesie starzenia wysokotemperaturowego Właściwości mechaniczne Tabele 2 4 przedstawiają uzyskane właściwości mechaniczne odpowiednio dla stopu niemodyfikowanego (1, Ł) oraz modyfikowanego Ca + C (2, M) i CaC 2 (3, N). Oznaczono stan lany jako L, przesycany P oraz przesycany i starzony niskotemperaturowo S1 i wysokotemperaturowo S2. Prace IOd 4/2012 9

11 Z. Górny, S. Kluska-Nawarecka, K. Saja Tabela 2. Zestawienie otrzymanych właściwości mechanicznych i planu wytopu Ł Przesycanie w temp. 950 C Wytop Ł (1) Brąz BA 1044 stop niemodyfikowany Starzenie w temp. Starzenie w temp. 700 C przez okres 6 h Rm, MPa Rp0,2, MPa A5, % Z, % HB Oznaczenie Stan (przy wykorzystaniu 350 C przez Nr Lp. obróbki lany mikrojetu oraz okres 6 h próbki cieplnej L wody jako czynnika i studzenie i studzenie chłodzącego) Pomiar Średnia Pomiar Średnia Pomiar Średnia Pomiar Średnia Pomiar Średnia na powietrzu na powietrzu P S1 S Ł L X , Ł L X ,6 4,9 5,2 5, Ł L X , Ł L P * X ,4 3, Ł L P * X ,8 4,1 4,3 3, Ł L P * X , Ł L P S1 * * X ,1 2, Ł L P S1 * * X ,5-2, Ł L P S1 * * X , Ł L P S2 * * X ,6 12, Ł L P S2 * * X ,6 11,7-12, Ł L P S2 * * X L stan lany; P przesycanie w temperaturze 950 C (przy wykorzystaniu mikrojetu oraz wody jako czynnika chłodzącego); S1 starzenie w temp. 350 C przez okres 6 h i studzenie na powietrzu; S2 starzenie w temp. 700 C przez okres 6 h i studzenie na powietrzu; X ostateczna obróbka próbki; Sposób kodowania: numer wytopu, oznaczenie stanu próbki np. Ł L P oznacza próbkę z wytopu L, która przechodziła następujące stany: stan lany i przesycanie Tabela 3. Zestawienie otrzymanych właściwości mechanicznych i planu wytopu M Przesycanie w temp. 950 C Wytop M (2) Brąz BA 1044 stop modyfikowany (Ca + C) Starzenie w temp. Starzenie w temp. Rm, MPa Rp0,2, MPa A5, % Z, % HBW 2,5/187,5 Oznaczenie Stan (przy wykorzystaniu 350 C przez 700 C przez Nr Lp. obróbki lany mikrojetu oraz okres 6 h okres 6 h próbki cieplnej L wody jako czynnika i studzenie i studzenie chłodzącego) Pomiar Średnia Pomiar Średnia Pomiar Średnia Pomiar Średnia na powietrzu na powietrzu Pomiar Średnia Średnia P S1 S M L X ,9 8, , M L X ,7 7,7 9,1 7,4 8, ,3 201, M L X ,7 9, ,3 4 1 M L P * X ,4 3,2 5,1 4, ,7 5 2 M L P * X , ,7 3,0 (7,4 + ) 3,6 (7,9 + ) ,6 6 4 M L P * X ,8 15, M L P S1 * * X ,6 2, ,3 8 9 M L P S1 * * X ,3 3,0 2,47 1,2 1, , M L P S1 * * X ,8 2, M LPS2 * * X M LPS2 * * X ,9 16,65 15,8 15, , M LPS2 * * X ,4 15, ,7 L stan lany; P przesycanie w temperaturze 950 C (przy wykorzystaniu mikrojetu oraz wody jako czynnika chłodzącego); S1 starzenie w temp. 350 C przez okres 6 h i studzenie na powietrzu; S2 starzenie w temp. 700 C przez okres 6 h i studzenie na powietrzu; p (Xp lub *p) próbki, w których podczas zalewania umieszczone były termopary pomiarowe; X ostateczna obróbka próbki; * stan przejściowy próbki; + pomiar znacznie odbiega wartością wyniku od pozostałych danych grupy Sposób kodowania: numer wytopu, oznaczenie stanu próbki np. M L P oznacza próbkę z wytopu L, która przechodziła następujące stany: stan lany i przesycanie. 10 Prace IOd 4/2012

12 Wpływ modyfikacji węglikiem wapnia na właściwości mechaniczne brązu BA 1044 Tabela 4. Zestawienie otrzymanych właściwości mechanicznych i planu wytopu N Przesycanie w temp. 950 C Wytop N (3) Brąz BA 1044 stop modyfikowany (CaC2) Starzenie w temp. Starzenie w temp. Rm, MPa Rp0,2, MPa A5, % Z, % Oznaczenie Stan (przy wykorzystaniu 350 C przez 700 C przez Nr Lp. obróbki lany mikrojetu oraz okres 6 h okres 6 h próbki cieplnej L wody jako czynnika i studzenie i studzenie chłodzącego) Pomiar Średnia Pomiar Średnia Pomiar Średnia Pomiar Średnia na powietrzu na powietrzu Pomiar Średnia Średnia P S1 S N L X ,8 7, N L X , ,3 9,1 9,63 8,2 7, ,7 196, N L X ,0 7, ,7 4 1 N L P * X ,8 0, ,3 5 2 N L P * X , ,3 2,2 2,47 1, , N L P * X ,4 4, N L P S1 * * X ,3 1, ,3 8 8 N L P S1 * * X , ,3 1,6 1,97 1, ,7 9 9 N L P S1 * * X ,0 0, , N LPS2 * * X ,0 8, N LPS2 * * X , ,3 9,7 9,97 9,7 9, ,7 212, N LPS2 * * X ,2 9, ,7 L stan lany; P przesycanie w temperaturze 950 C (przy wykorzystaniu mikrojetu oraz wody jako czynnika chłodzącego); S1 starzenie w temp, 350 C przez okres 6 h i studzenie na powietrzu; S2 starzenie w temp, 700 C przez okres 6 h i studzenie na powietrzu; p (Xp lub *p) próbki, w których podczas zalewania umieszczone były termopary pomiarowe; X ostateczna obróbka próbki; * stan przejściowy próbki; HBW 2,5/187,5 Sposób kodowania: numer wytopu, oznaczenie stanu próbki np. N L P oznacza próbkę z wytopu L, która przechodziła następujące stany: stan lany i przesycanie. W celu ułatwienia oceny wpływu modyfikowania w tabelach 3 4 przedstawiono średnie wartości właściwości mechanicznych odpowiednio dla stanu lanego, przesycanego oraz ulepszanego cieplnie ze starzeniem nisko- i wysokotemperaturowym. Podobnie w tabelach 5 8 przedstawiono wartości maksymalne właściwości wytrzymałościowych. Tabela 5. Maksymalne właściwości mechaniczne brązu BA 1044 w stanie lanym Rodzaj modyfikatora R m, MPa R p0,2, MPa A 5, % Z, % HBW 2,5/187,5 Bez modyfikacji ,6 5,2 207 Ca + C ,9 9,4 208 CaC ,0 8,2 203 Tabela 6. Maksymalne właściwości mechaniczne brązu BA 1044 po przesycaniu Rodzaj modyfikatora R m, MPa R p0,2, MPa A 5, % Z, % HBW 2,5/187,5 Bez modyfikacji ,8 4,3 293 Ca + C ,4 5,1 290 CaC ,4 4,0 321 Prace IOd 4/

13 Z. Górny, S. Kluska-Nawarecka, K. Saja Tabela 7. Maksymalne właściwości mechaniczne brązu BA 1044 po przesycaniu i starzeniu w temperaturze 350 C Rodzaj modyfikatora R m, MPa R p0,2, MPa A 5, % Z, % HBW 2,5/187,5 Bez modyfikacji ,1 2,0 300 Ca + C ,0 2,4 340 CaC ,3 1,2 338 Tabela 8. Maksymalne właściwości mechaniczne brązu BA 1044 po przesycaniu i starzeniu w temperaturze 700 C Rodzaj modyfikatora R m, MPa R p0,2, MPa A 5, % Z, % HBW 2,5/187,5 Bez modyfikacji ,6 12,8 232 Ca + C ,9 15,8 223 CaC ,0 9,7 215 Na rysunkach 9 10 przedstawiono zakresy zmian właściwości mechanicznych odpowiednio dla stopu niemodyfikowanego oraz modyfikowanego Ca + C lub CaC 2. Natomiast rysunki przedstawiają wpływ modyfikacji w różnych stanach (lanym, przesyconym i ulepszanym cieplnie). Zakres zmian wartości danego parametru dla stopu niemodyfikowanego w zależności od rodzaju obróbki cieplnej L - stan lany L + P - stan lany + przesycanie L + P + S1 - stan lany + przesycanie + starzenie w temp. 350 C L + P + S2 - stan lany + przesycanie + starzenie w temp. 700 C Rys. 9. Zakres zmian wartości właściwości mechanicznych stopu niemodyfikowanego w zależności od przeprowadzonej obróbki cieplnej 12 Prace IOd 4/2012

14 Wpływ modyfikacji węglikiem wapnia na właściwości mechaniczne brązu BA 1044 Zakres zmian wartości danego parametru dla stopu modyfikowanego Ca + C w zależności od rodzaju obróbki cieplnej L - stan lany L + P - stan lany + przesycanie + starzenie L + P + S1 - stan lany + przesycanie + starzenie w temp. 350 C L + P + S2 - stan lany + przesycanie + starzenie w temp. 700 C Rys. 10. Zakres zmian wartości właściwości mechanicznych stopu modyfikowanego Ca + C w zależności od przeprowadzonej obróbki cieplnej Zakres zmian wartości danego parametru dla stopu modyfikowanego CaC2 w zależności od rodzaju obróbki cieplnej L - stan lany L + P - stan lany + przesycanie + starzenie L + P + S1 - stan lany + przesycanie + starzenie w temp. 350 C L + P + S2 - stan lany + przesycanie + starzenie w temp. 700 C Rys. 11. Zakres zmian wartości właściwości mechanicznych stopu modyfikowanego CaC 2 w zależności od przeprowadzonej obróbki cieplnej Prace IOd 4/

15 Z. Górny, S. Kluska-Nawarecka, K. Saja Wpływ modyfikacji na właściwości mechaniczne stopu BA 1044 w stanie lanym oraz przesyconym 1 - bez modyfikacji 2 - modyfikowany Ca + C 3 - modyfikowany CaC2 L - stan lany P - po przesycaniu Rys. 12. Wpływ rodzaju modyfikacji na właściwości mechaniczne w stanie lanym i przesyconym Wpływ modyfikacji na właściwości mechaniczne stopu BA 1044 przy obróbce cieplnej starzeniu 1 - bez modyfikacji 2 - modyfikowany Ca + C 3 - modyfikowany CaC2 S1 - po przesycaniu w temp. 350 C S2 - po przesycaniu w temp. 700 C Rys. 13. Wpływ rodzaju modyfikacji na właściwości mechaniczne po starzeniu 14 Prace IOd 4/2012

16 Wpływ modyfikacji węglikiem wapnia na właściwości mechaniczne brązu BA 1044 Omówienie i wnioski z prowadzonych badań Ocena wpływu stosowanej obróbki cieplnej zarówno dla stopu niemodyfikowanego, jak i modyfikowanego, pod względem właściwości wytrzymałościowych (R m ) preferuje ulepszanie cieplne ze starzeniem niskotemperaturowym. Uzyskanie wysokich właściwości wytrzymałościowych odbywa się kosztem niskich właściwości plastycznych (A 5, Z), przy relatywnie wysokiej twardości. Ulepszanie cieplne z wysokotemperaturowym starzeniem typu betatyzacji zapewnia znacznie lepsze właściwości plastyczne brązu BA1044 przy niższej wytrzymałości na rozciąganie oraz twardości. Umowna granica sprężystości (R p0,2 ) wykazuje podobne tendencje jak wytrzymałość na rozciąganie (R m ). Znaczący jest jednak wpływ modyfikacji na wartości R p0,2 we wszystkich stanach z wyjątkiem starzenia wysokotemperaturowego. Modyfikowanie dodatkami CaC 2 prowadzi do obniżenia właściwości wytrzymałościowych (R m ) większego niż przy modyfikowaniu dodatkami Ca + C. Dla R p0,2 lepsze wyniki uzyskuje się w stanie przesyconym i ulepszonym cieplnie z wyżarzaniem wysokotemperaturowym dla stopu modyfikowanego przez dodatek CaC 2. Pod względem właściwości plastycznych (A 5, Z) tylko w stanie lanym korzystniejsze wyniki otrzymuje się przez modyfikowanie dodatkiem CaC 2. Dla różnowariantowej obróbki cieplnej korzystniejsze wyniki uzyskuje się przy dodatku Ca + C. Reasumując, wpływ modyfikowania dodatkami Ca + C czy CaC 2 wpływa korzystnie na właściwości plastyczne, natomiast wpływ na właściwości wytrzymałościowe nie jest jednoznaczny. Otrzymuje się pogorszenie poziomu R m w stanie lanym lub przesyconym i poprawę w stanie w ulepszonym cieplnie. Efekt badanych dodatków modyfikujących nie jest znaczący z wyjątkiem R p0,2 dla stanu ulepszonego cieplnie, z wyżarzaniem wysokotemperaturowym. Bardziej jednoznaczny jest wpływ obróbki cieplnej (przesycanie czy ulepszanie cieplne), potwierdzający wyniki uprzednio prowadzonych badań [5]. Pod względem właściwości wytrzymałościowych (R m ) wyróżnia się ulepszanie cieplne ze starzeniem niskotemperaturowym, pozwalając w konkretnym przypadku na uzyskanie poziomu nawet R m = 930 MPa. Ulepszanie ze starzeniem niskotemperaturowym znacząco podwyższa R m i w odpowiedniej skali R p0,2. Natomiast ulepszanie cieplne ze starzeniem wysokotemperaturowym (betatyzacja) prowadzi do znaczącej poprawy właściwości plastycznych przy umiarkowanych, ale nadal wysokich, właściwościach wytrzymałościowych. Podziękowania Artykuł przygotowano w ramach realizacji projektu statutowego pt. Wpływ modyfikacji brązu BA 1044 węglikiem wapnia, 2011 r. (zlec. 1004/00). Prace IOd 4/

17 Z. Górny, S. Kluska-Nawarecka, K. Saja Literatura 1. Górny Z.: Odlewnicze brązy aluminiowe. Instytut Odlewnictwa, Kraków, 2006, ISBN Górny Z., Kluska-Nawarecka S., Saja K.: Sprawozdanie z działalności statutowej za 2011 rok (nr 1004/00). Instytut Odlewnictwa, Kraków, Górny Z. i in.: Wpływ obróbki cieplnej typu betatyzacji na strukturę i właściwości modyfikowanego Ca stopu CuAl10Fe3Mn2. Identyfikacja faz bogatych w Fe, ich morfologia i dystrybucja. Badania eksperymentalne i symulacja komputerowa (projekt badawczy N /32/1099). Instytut Odlewnictwa, Kraków. 4. Stucky M.: Mesure de température en continu dans les bains de cupro-aluminium. Fonderie Foundeur d Aujourd`hui, 2002, No. 218, pp Górny Z., Kluska-Nawarecka S., Saja K.: The Effect of Toughening Combined with Microjet Cooling During Quenching (Solution Heat Treatment) of Calcium Carbide-modified CuAl10Fe4Ni4 Alloy on its Mechanical Properties. Archives of Foundry Engineering, 2013, Vol. 13, No. 1, pp (w druku). 16 Prace IOd 4/2012

18 PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA Tom LII Rok 2012 Zeszyt 4 DOI: /iod EFEKT DODATKU Ca NA MIKROSTRUKTURĘ ORAZ WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE STOPU AZ91 Tomasz Reguła, Piotr Dudek, Aleksander Fajkiel Instytut Odlewnictwa, Zakład Stopów Metali Nieżelaznych, ul. Zakopiańska 73, Kraków Streszczenie W niniejszym artykule przedstawiono wyniki prac związanych z badaniem wpływu wapnia na mikrostrukturę oraz właściwości mechaniczne stopu AZ91. Próbki z odpowiednio przygotowanych wariantów stopu, zawierających zróżnicowane stężenie dodatku Ca (od 0,1 do 2,5% wag.) poddano statycznej próbie rozciągania w temperaturze otoczenia oraz podwyższonej (150 C). Przeprowadzono również badania mikrostruktury oraz analizę krzywych DSC. Ustalono, że w odniesieniu do bazowego stopu AZ91, wraz z rosnącym stężeniem wapnia, wzrasta wytrzymałość w temperaturze podwyższonej. Efekt ten jest spowodowany zastępowaniem niskotopliwej fazy Mg 17 Al 12 przez fazy zawierające wapń Al 2 Ca i (Mg, Al) 2 Ca oraz wzbogaceniem przestrzeni międzydendrytycznych w Ca. Jednocześnie dodatek wapnia niekorzystnie wpływa na właściwości mechaniczne w temperaturze otoczenia, co tłumaczyć można kruchością faz Mg-Al-Ca. Słowa kluczowe: stop magnezu, dodatek stopowy, wapń, właściwości mechaniczne, mikrostruktura Wstęp Ze względu na stopniowe zaostrzanie norm emisji (nowe regulacje w USA wymuszają ograniczenie średniego zużycia paliwa oferowanych modeli samochodów do poziomu 4,3 l/100 km przed rokiem 2025) oraz rosnące ceny paliw, koncerny motoryzacyjne dążą do obniżania masy pojazdów m.in. poprzez konwersje elementów wykonywanych ze stali na nowe konstrukcje wytwarzane ze stopów metali lekkich. Stopy na bazie magnezu posiadają wiele korzystnych zalet, takich jak: wysoka wytrzymałość właściwa oraz duża zdolność do tłumienia drgań i promieniowania elektromagnetycznego [1]. Jednakże największą zaletą stopów Mg jest ich niska gęstość odpowiednio około 2/3 aluminium oraz 1/4 stali, co czyni je najlżejszymi stopami konstrukcyjnymi. Niestety, ze względu na gwałtowny spadek właściwości mechanicznych w temperaturze podwyższonej oraz problemy technologiczne spowodowane dużym powinowactwem do tlenu (ulegają zapaleniu na wolnym powietrzu przy długotrwałym wytrzymywaniu już w temperaturze 430 C), dotychczas nie wykorzystano potencjału tego materiału. 17

19 T. Reguła, P. Dudek, A. Fajkiel W ostatnim dziesięcioleciu wprowadzono na rynek stopy magnezu z dodatkami metali ziem rzadkich, takimi jak: skand, cer, neodym. Stopy te są drogie [2], a ponieważ ich implementacja w warunkach przemysłu motoryzacyjnego jest uzależniona od korzystnego bilansu ekonomicznego, nie zyskały przychylności rynku. W oparciu o dane pochodzące z literatury stwierdzono, że dodatek Ca poprawia zarówno wytrzymałość w podwyższonej temperaturze, jak i podwyższa temperaturę zapłonu stopów Mg [3 7] przy jednoczesnym pogorszeniu właściwości technologicznych (lejności oraz odporności na pękanie na gorąco) [8]. Zaprawy zawierające Ca są znacząco tańsze od tych zawierających metale ziem rzadkich, co czyni dodatek stopowy wapnia racjonalnym ekonomicznie. Dodatek Ca do stopów na bazie magnezu wpływa również korzystnie na mikrostrukturę rozdrabniając ziarno [9]. W [10] podano, że mechanizm wpływu dodatku wapnia na zmianę właściwości stopów magnezu w podwyższonej temperaturze polega na stopniowym wypieraniu niskotopliwej eutektycznej fazy międzymetalicznej Mg 17 Al 12 przez wysokotopliwą fazę Al 2 Ca. Najpopularniejszym obecnie stopem na bazie magnezu wykorzystywanym w odlewnictwie jest stop AZ91 (MgAl9Zn1). Posiada on dobre właściwości mechaniczne w temperaturze otoczenia, dobrą lejność oraz niezłą odporność na korozję [11]. W niniejszej pracy postanowiono poprawić właściwości mechaniczne stopu AZ91 w podwyższonej temperaturze poprzez wprowadzenie dodatków stopowych Ca, w ilości od 0,1 do 2,5% wag. Przeprowadzono również analizę wpływu dodatku Ca na podstawowe właściwości mechaniczne oraz mikrostrukturę wytworzonych stopów. Metodyka badań Gąski stopu AZ91 ładowano do pieca oporowego Czylok M20, z tyglem ze stali aluminiowej, po czym topiono pod atmosferą ochronną składającą się z mieszanki Ar + SF 6. W temperaturze 700 C dodawano zaprawę Ca-Al o zawartości wapnia równej 85% wag., tak aby osiągnąć zakładany poziom tego pierwiastka (0,1 do 2,5% wag.) w ciekłym metalu. Ze względu na efekt wypalania wapnia przy wprowadzaniu zaprawy do kąpieli metalowej kluczowym elementem był stosowny dobór ilościowy zaprawy. Piec oraz zapłon zaprawy wapniowej przy wprowadzaniu do ciekłego metalu pokazano na rysunku 1 a b. Uzyskano w ten sposób stopy o składzie chemicznym, który przedstawiono w tabeli 1. Stopy odlano do formy metalowej służącej do odlewania próbek wytrzymałościowych, przy czym w celu zachowania jednolitej szybkości chłodzenia, powierzchnię kokili utrzymywano w temperaturze około 150 C. Badania właściwości mechanicznych wykonano na maszynie wytrzymałościowej INSTRON 8800M z prędkością posuwu trawersy 1 mm/min. Próbki okrągłe do statycznych prób zrywania w temperaturze normalnej (Ø 10 mm) oraz podwyższonej (Ø 5 mm) wykonano według norm PN-EN oraz PN-EN Prace IOd 4/2012

20 Efekt dodatku Ca na mikrostrukturę oraz właściwości mechaniczne stopu AZ91 a) b) Rys. 1. Stanowisko do przetopu stopów magnezu: a) topienie stopu bazowego, b) dodatek zaprawy Ca-Al Stop Tabela 1. Skład chemiczny wykonanych stopów Skład chemiczny, % wag. Ca Al Zn Mn Mg AZ91 0,00 8,43 0,18 0,65 reszta AZCa0,1 0,07 8,30 0,21 0,62 reszta AZCa0,2 0,23 8,62 0,18 0,66 reszta AZCa0,5 0,46 8,40 0,22 0,58 reszta AZCa1 1,15 8,64 0,21 0,65 reszta AZCa2,5 2,40 8,60 0,22 0,60 reszta Analizy mikrostrukturalne przeprowadzono na odpowiednio przygotowanych próbkach, korzystając z optycznego mikroskopu metalograficznego Axio Observer Z1m oraz mikroskopu elektronowego STEREOSCAN 420 wyposażonego w mikroanalizator rentgenowski EDS LINK ISIS 300. Badania różnicowej kalorymetrii skaningowej wykonano w kalorymetrze Netzsch DSC 404 C. Dobór warunków pomiarowych miał na celu minimalizację procesów utleniania stopów. Pomiary przeprowadzono w tyglach grafitowych, w atmosferze czystego argonu (70 ml/min) przy szybkości nagrzewania i studzenia 10 K/min. Przed pomiarami wykonano kalibrację urządzenia DSC dla tych warunków pomiarowych. Przed każdym pomiarem wykonano 3-krotne odpompowanie i napełnienie czystym argonem obszaru pomiarowego. Prace IOd 4/

21 T. Reguła, P. Dudek, A. Fajkiel Analiza wyników badań Mikrostruktury bazowego stopu AZ91 bez dodatku Ca oraz odpowiednio z 0,1; 0,2; 0,5; 1,15 i 2,5% wag. przedstawiono na rysunku 2. Struktura wyjściowego stopu AZ91 (rys. 2a) składa się z osnowy roztworu stałego α oraz eutektycznej fazy Mg 17 Al 12 obecnej głównie na granicach ziaren. Obserwacje te potwierdzono, analizując krzywe skaningowej kalorymetrii różnicowej (Differential Scanning Calorimetry) badanych próbek. Na krzywej nagrzewania próbki stopu wyjściowego (rys. 3a) występują trzy piki odpowiednio przy wartości temperatury 429, 507 i 595 C. Pierwszy z nich odpowiada temperaturze endotermicznego rozkładu fazy eutektycznej Mg 17 Al 12, drugi linii solidus, natomiast trzeci linii likwidus badanego stopu. 10 μm a) b) c) d) e) f) Rys. 2. Mikrostruktura stopu bazowego (a) oraz z dodatkiem Ca odpowiednio około 0,1% (b), 0,2% (c) 0,5% (d), 1% (e) oraz 2,5% wag. (f) Analizując zdjęcia mikrostrukturalne próbek, które zawierają dodatek Ca, można stwierdzić, że pierwiastek ten ogranicza występowanie fazy Mg 17 Al 12. Na rysunkach 2 b f zauważono stopniową zmianę morfologii faz eutektycznych będąca następstwem wypierania fazy Mg 17 Al 12 przez fazy zawierające wapń. Obserwacje te potwierdzono wynikami DSC. Na krzywych kalorymetrii badanych stopów zaobserwowano stopniowe zanikanie piku pochodzącego od fazy Mg 17 Al 12 występującego około temperatury 430 C. W stopach o zawartości wapnia powyżej 1%, faza Mg 17 Al 12 jest całkowicie zastąpiona przez fazy wapniowe Al 2 Ca i (Mg, Al) 2 Ca (co wynika z trójskładnikowego układu równowagi fazowej w 25 C [12]), tworzące wraz z roztworem pierwotnym eutektyczną siatkę wydzieleń na granicach ziaren. 20 Prace IOd 4/2012

22 Efekt dodatku Ca na mikrostrukturę oraz właściwości mechaniczne stopu AZ91 Krzywe DSC stopu AZCa2,5 przedstawiono na rysunku 3b. Są one znacząco różne od krzywych stopów z mniejszą zawartością Ca, na których piki pochodzące od eutektyki zastąpione zostały reakcją energetyczną występującą w temperaturze 528 C. A. Suzuki [13] wraz ze współautorami podają, że dana temperatura odpowiada reakcji rozpadu fazy (Mg, Al) 2 Ca. Potwierdzono ten fakt, przeprowadzając ilościową analizę badanej fazy punkt nr 2 na rysunku 4, dzięki czemu ustalono, że stosunek atomowy Mg, Al i Ca to około 2 : 2 : 1. DSC /(mw/mg) exo 0.6 AZ Onset*: C Area: J/g Value: C Area: J/g Temperature / C DSC /(mw/mg) exo 0.6 AZ a) Onset*: C b) Peak: C End: C Peak: C Peak: C End: C -0.8 Area: J/g -1.0 Value: C Temperature / C Rys. 3. Porównanie krzywych DSC badanych próbek: a) stop wyjściowy AZ91, b) stop z dodatkiem stopowym wapnia w ilości około 2,5% wag. AZCa2,5 [1.2] [1.1] [1.2] [1.1] Dodatkowe informacje uzyskano, dokonując analizy mapy rozmieszczenia pierwiastków wykonanej dla próbki stopu AZCa2,5 (rys. 5). Ustalono, że wapń, który wprowadzono do badanego stopu nie jest rozpuszczany w osnowie. Pierwiastek ten znajduje się w wydzieleniach fazy międzymetalicznej oraz na granicach ziaren. Można założyć, że w trakcie krzepnięcia stopu z dodatkiem wapnia, Ca jest wypychany przez czoło frontu krystalizacji do przestrzeni międzydendrytycznych. Prace IOd 4/

23 T. Reguła, P. Dudek, A. Fajkiel Rys. 4. Obraz SEM stopu AZCa2,5 z zaznaczonymi punktami analizy ilościowej Rys. 5. Mapy rozmieszczenia pierwiastków stopu AZCa2,5 W oparciu o analizę wyników właściwości mechanicznych w temperaturze otoczenia, które przedstawiono na rysunku 6, stwierdzić można, że dodatek wapnia w badanych stopach powoduje obniżenie wytrzymałości na rozciąganie oraz granicy plastyczności w odniesieniu do stopu bazowego. Zaobserwowano wzrost wydłużenia w przypadku stopu z dodatkiem 0,1% wag. Ca; generalnie jednak plastyczność spada wraz ze wzrostem zawartości wapnia. Źródła literaturowe podają, że wapń w niewielkich ilościach działa jako modyfikator ziarna [14, 15], czym można tłumaczyć wzrost plastyczności stopu o zawartości 0,1% wag. Ca. Jednakże jednoczesny spadek wytrzymałości szczególnie granicy plastyczności można tłumaczyć wzrostem podatności stopów z dodatkiem Ca na kruche pękanie oraz kruchością fazy (Mg, Al) 2 Ca [10] co w szczególności zaobserwować można w przypadku stopów o zawartości Ca powyżej 1% wag. W badanych stopach AZCa1 oraz AZCa2,5 obserwowano drastyczny spadek plastyczności w odniesieniu do stopu wyjściowego (AZ91). 22 Prace IOd 4/2012

24 Efekt dodatku Ca na mikrostrukturę oraz właściwości mechaniczne stopu AZ91 Rm R0,2 A5 R m, R 0,2, MPa AZ91 AZCa0,1 AZCa0,2 AZCa0,5 AZCa1 AZCa2, A 5, % Rys. 6. Właściwości mechaniczne badanych stopów w temperaturze otoczenia Wyniki statycznych prób rozciągania badanych stopów przeprowadzanych w podwyższonej temperaturze (150 C) przedstawiono na rysunku 7. Zaobserwowano wzrost wytrzymałości stopów, wraz ze zwiększeniem dodatku wapnia, przy jednoczesnym spadku plastyczności. Prawdopodobnie za wzrost wytrzymałości w podwyższonej temperaturze w odniesieniu do stopu bazowego odpowiada dystrybucja wapnia w przestrzeniach międzydendrytycznych (co może utrudniać odkształcenie plastyczne materiału) oraz większa stabilność termiczna fazy (Mg, Al) 2 Ca w odniesieniu do Mg 17 Al 12. Obniżenie plastyczności badanych wariantów stopu spowodowane jest kruchością faz zawierających wapń. Rm, MPa R0,2, MPa A5, % R m, R 0,2, MPa AZ91 AZCa0,1 AZCa0,2 AZCa0,5 AZCa1 AZCa2, A 5, % Rys. 7. Właściwości mechaniczne badanych stopów w temperaturze 150 C Podsumowanie Wnioski płynące z analizy wyników badań wpływu dodatku wapnia do stopu AZ91 wskazują na korzystny efekt wywierany przez ten pierwiastek na wytrzymałość badanych stopów w podwyższonej temperaturze, co może torować drogę do potencjalnych zastosowań. Stwierdzono duży wpływ Ca na mikrostrukturę badanych stopów. Jednocześnie ustalono, że dodatek tego pierwiastka obniża właściwości mechaniczne w temperaturze otoczenia. Stwierdzić można, że kierunek badań jest słuszny, jednakże należy kontynuować prace w tym temacie szczególnie w aspekcie wprowadzenia do stopów magnezu zarówno dodatków Ca, jak i Sr. Prace IOd 4/

25 T. Reguła, P. Dudek, A. Fajkiel Podziękowania Prace wykonano w ramach realizacji projektu statutowego, pt.: Badania wpływu dodatków wapnia i strontu w stopie AZ91 na mikrostrukturę i wybrane właściwości mechaniczne (użytkowe) (zlec. 2016/00) finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Literatura 1. Kojima Y.: Project of platform science and technology for advanced magnesium alloys. Materials Transactions, 2001, Vol. 42, No. 7, pp Pekguleryuz M.O., Baril E.: Creep Resistant Magnesium Diecasting Alloys Based on Alkaline Earth Elements. Materials Transactions, 2001, Vol. 42, No. 7, pp Luo A., Pekguleryuz M.O.: Cast Magnesium alloys for elevated temperature application. Journal of Material Science, 1994, Vol. 29, No. 20, pp Ninomiya R., Ojiro T., Kubota K.: Improved heat resistance of Mg-Al alloys by the Ca addition. Acta Metallurgica et Materialia, 1995, Vol. 43, No. 2, pp Kawamura Y., Hayashi K., Koike J., Kato A., Inoue A., Masumoto T.: High strength nanocrystalline Mg-Al-Ca alloys produced by rapidly solidified powder metallurgy processing. Materials Science Forum, 2000, Vols , pp Chino Y., Kobata M., Iwasaki H., Mabuchi M.: An investigation of compressive deformation behaviour for AZ91 Mg alloy containing a small volume of liquid. Acta Materialia, 2003, Vol. 51, No. 11, pp Anyanwu A.I., Gokan Y., Nozawa S., Suzuki A., Kamado S., Kojima Y., Takeda S.: Development of New Die-castable Mg Zn Al Ca RE Alloys for High Temperature Applications. Materials Transactions, 2003, Vol. 44, No. 4, pp Polmear I.J.: Recent Developments in Light Alloys. Materials Transactions, JIM, 1996, Vol. 37, No. 1, pp Hirai K., Somekawa H., Takigawa Y., Higashi K.: Effects of Ca and Sr addition on mechanical properties of a cast AZ91 magnesium alloy at room and elevated temperature. Materials Science and Engineering A, 2005, Vol. 403, Nos. 1 2, pp Li P., Tang B., Kandalova E.G.: Microstructure and properties of AZ91D alloy with Ca additions. Materials Letters, 2005, Vol. 59, No. 6, pp Reguła T., Fajkiel A., Dudek P., Saja K.: Ocena skuteczności specjalnej obróbki cieplnej stopu magnezu AZ91 zapobiegającej rozrostowi ziarna. Prace Instytutu Odlewnictwa, 2008, Vol. 48, nr 4, s Aljarrah M., Medraj M., Wang X., Essadiqi E., Muntasar A., Dénès G.: Experimental investigation of the Mg Al Ca System. Journal of Alloys and Compounds, 2007, Vol. 436, pp Suzuki A., Saddock N.D., Jones J.W., Pollock T.M.: Solidification paths and eutectic intermetallic phases in Mg Al Ca ternary alloys. Acta Materialia, 2005, Vol. 53, No. 9, pp Lee Y.C., Dahle A.K., StJohn D.H.: The role of solute in grain refinement of magnesium. Metallurgical and Materials Transactions A, 2000, Vol. 31, No. 11, pp Azad A.: Grain refinement of magnesium alloy AZ91E. Master of Applied Science. University of British Colombia, Prace IOd 4/2012

26 PRACE INSTYTUTU ODLEWNICTWA Tom LII Rok 2012 Zeszyt 4 DOI: /iod WPŁYW ZAWARTOŚCI CYNKU ORAZ TEMPERATURY NA LUTOWNOŚĆ NIKLU STOPAMI Sn-xZn (x = 4,5; 90; 95% wag.) Artur Kudyba, Aleksandra Siewiorek, Natalia Sobczak Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, Kraków Streszczenie Celem badań było określenie wpływu temperatury oraz zawartości Zn na lutowność podłoży Ni ciekłymi stopami Sn-Zn o zawartości cynku 4,5; 90; 95% wag. Badania lutowności przeprowadzono metodą zanurzeniową (wetting balance test) pozwalającą na pomiar siły i czasu zwilżania oraz wyznaczenie wartości kąta zwilżania. Badania wykonano w dwóch różnych temperaturach dla każdego z badanych stopów, odpowiednio dla Sn-4,5Zn w 230 i 250 C, Sn-90Zn w 400 i 450 C, Sn-95Zn w 410 i 450 C. Po badaniach lutowności przeprowadzono analizę strukturalną poprzecznych przekrojów próbek metodami mikroskopii optycznej i skaningowej mikroskopii elektronowej w połączeniu z lokalną analizą składu chemicznego. Stwierdzono, że wzrost temperatury poprawia lutowność każdego z badanych układów Sn-xZn/Ni. W przypadku podwyższenia temperatury procesu do 450 C dla stopów o zawartości 90 i 95% wag. Zn, zaobserwowano całkowitą zwilżalność Ni (wartość kąta zwilżania θ = 0 ). Słowa kluczowe: lutowia bezołowiowe, Sn-Zn, metoda zanurzeniowa, lutowność, krzywa zwilżania, kąt zwilżania Wprowadzenie Poniższy artykuł stanowi kontynuację pracy [1], w której przeprowadzono analizę wpływu temperatury oraz zawartości Zn na poprawę lutowności bezołowiowych stopów typu Sn-xZn (4,5; 90; 95% wag.) na podłożu miedzianym. Celem niniejszej pracy jest analiza wpływu tych samych czynników technologicznych (temperatura testu, zawartość Zn) na poprawę lutowności bezołowiowych stopów Sn-xZn na podłożu niklowym. Wybór materiału podłoża wynika z technologii wytwarzania płytek drukowanych, w których ścieżki przewodzące oraz pola lutownicze (tzw. mozaika przewodząca [2]) wykonane są z miedzi lub niklu [2] w zależności od przeznaczenia oraz charakteru pracy wytwarzanych płytek drukowanych. Problem eliminacji ołowiu z lutowi dla elektroniki wynika z regulacji prawnej ogłoszonej przez Parlament Europejski oraz Radę, zakazującej krajom członkowskim stosowania ołowiu począwszy od 2006 roku [1 3]. Problem ten został częściowo rozwiązany poprzez wdrożenie lutowi typu SAC na bazie układu Sn-Ag-Cu [4 5]. Jednakże lutowia 25

27 A. Kudyba, A. Siewiorek, N. Sobczak typu SAC, które sprawdzają w pracy w niskich temperaturach, nie nadają się do zastosowań wysokotemperaturowych. Jednym z proponowanych rozwiązań jako zamiennik dla lutowi typu Sn-Pb (dotychczas stosowanych do lutowania elementów pracujących w podwyższonych temperaturach) stosowane są stopy Sn-Zn o dużej zawartości Zn. Charakteryzują się one niskimi kosztami produkcji stopu oraz dobrymi właściwościami mechanicznymi i elektrycznymi [6 10]. Niemniej jednak występują obawy przed wdrożeniem tych stopów w przemyśle, gdyż istnieje opinia, że mają one gorszą lutowność w porównaniu do standardowych stopów typu Sn-Pb [11 13]. Jednakże analiza literaturowa wykazała, że opinia ta nie została potwierdzona badaniami dla stopów o dużej zawartości Zn (Zn > 13,5% wag.) a opiera się głównie na badaniach lutowności stopów Sn-Zn o małej zawartości cynku (Zn 13,5% wag.) [7 13]. Niestety dla stopów o wysokiej zawartości cynku (Zn > 13,5% wag.) dane literaturowe ograniczają się jedynie do charakterystyki mikrostruktury układów Sn-xZn/Ni i ich właściwości mechanicznych z pominięciem dość znaczących badań lutowności połączeń [14, 15]. Dlatego celem niniejszej pracy było wyjaśnienie wpływu zawartości Zn i temperatury na lutowność stopów Sn-xZn (x = 4,5; 90; 95% wag.) na podłożu Ni oraz ich porównanie z komercyjnym lutowiem bezołowiowym SAC305, powszechnie stosowanym w przemyśle elektronicznym do pracy w niskich temperaturach. Materiały do badań Do badań zastosowano: 1. Trzy stopy Sn-Zn, zawierające 4,5; 90 i 95% wag. Zn, które zostały wytworzone przez stopienie metali o czystości 99,95% w atmosferze ochronnej, oraz dla porównania komercyjny bezołowiowy stop lutowniczy SAC305 (96,5Sn-3Ag-0,5Cu) (Lenz, Polska). Gęstość badanych stopów (parametr konieczny do badań lutowności) wyznaczono metodą wagi hydrostatycznej w temperaturze pokojowej i wynosiła ona dla stopów: Sn-4,5Zn 7,2 mg/mm 3, Sn-90Zn 7,08 mg/mm 3, Sn-95Zn 7,0 mg/mm 3, SAC305 7,4 mg/mm Podłoże o wymiarach mm i grubości 1 mm: nikiel o czystości 99,8%. 3. Topnik nieorganiczny o bardzo wysokim poziomie aktywności TP o gęstości 1,3 g/cm 3 w temperaturze 20 C. Jest to płynny topnik na bazie H 2 O, w którym substancją aktywną jest chlorek amonu (NH 4 Cl), który stanowi maksymalnie 45% wag. całości mieszaniny. Jest to topnik przemysłowy o oznaczeniu według PN-EN a, stosowany do lutowania stali, mosiądzów i brązów. Dla lutowia typu SAC305 stosowano topnik w postaci roztworu kalafonii rozpuszczonej w alkoholu C 3 H 8 O (izopropanol) w stosunku 100 : 10. Napięcie powierzchniowe topnika (parametr konieczny do badań lutowności) określono na podstawie danych literaturowych [16] i wynosiło ono dla topnika: TP (Activated RA type) 370 mn/m, dla kalafonii (Midle activated RMA type) 415 mn/m. Metodyka i procedury badawcze Badania lutowności wykonano metodą zanurzeniową (wetting balance test) [17 20] na urządzeniu do badań lutowności typu MENISCO ST88 firmy Metronelec (rys. 1a). 26 Prace IOd 4/2012

28 Wpływ zawartości cynku oraz temperatury na lutowność niklu stopami Sn-xZn... W skład urządzenia wchodzi: a. głowica pomiarowa zawierająca standardowy przetwornik liniowy do pomiaru siły działającej na badane podłoże F r (rys. 1b), b. sterowany numerycznie stolik roboczy ze zbiornikiem lutowia (rys. 1c), c. rejestrator i komputer. a) b) c) Rys. 1. Zestaw aparaturowy do badań lutowności MENISCO ST88 firmy Metronelec: a) meniskograf; b) głowica pomiarowa zawierająca standardowy przetwornik liniowy do pomiaru siły działającej na badane podłoże; c) sterowany numerycznie stolik roboczy ze zbiornikiem lutowia Meniskograf jest urządzeniem pozwalającym ocenić lutowność badanych materiałów przez rejestrację siły F r działającej na badane podłoże, która stanowi wypadkową dwóch sił: siły wyporu F a i siły zwilżania F w, których zależność opisana jest równaniem: F r = F w - F a (1) gdzie: F r siła rejestrowana przez urządzenie (działająca na podłoże), mn; F w siła zwilżania, mn; F a siła wyporu, mn. Siłę wyporu F a, wynikającą z prawa Archimedesa, wylicza się według równania: F a = ρ ν g (2) Prace IOd 4/