Wpływ metody odlewania stopów aluminium i parametrów anodowania na strukturę i grubość warstwy anodowej 1

Transkrypt

1 Wpływ metody odlewania stopów aluminium i parametrów anodowania na strukturę i grubość warstwy anodowej 1 L. A. Dobrzański*, K. Labisz*, J. Konieczny**, J. Duszczyk*** * Zakład Technologii Procesów Materiałowych i Technik Komputerowych w Materiałoznawstwie, ** Zakład Materiałów Funkcjonalnych, Nanokrystalicznych i Zrównoważonych Technologii Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Politechnika Śląska ul. Konarskiego 18a, Gliwice *** Laboratory of Materials Science, Delft University of Technology Roterdamsweg 137, 2628 AL Delft, The Netherlands W pracy przedstawiono wpływ metody odlewania i parametrów anodowania na grubość i strukturę warstwy anodowej wytworzonej na stopach aluminium. Jako materiału do badań użyto stopów aluminium AlSi12 oraz AlSi9Cu3 dostarczonych przez holenderską firmę MIFA bv., w której przeprowadzony został także proces odlewania oraz anodowania próbek. Przedstawiono wyniki testu ścieralności a także wyniki badań metalograficznych. 1. WPROWADZENIE W ciągu ostatnich lat obserwuje się ciągły wzrost zastosowania stopów aluminium w przemyśle [1, 2]. Powłoki anodowe ochronno-dekoracyjne nakładane są na aluminiowe artykuły gospodarstwa domowego, elementy elektroniczne, części instrumentów muzycznych, meble ogrodowe, sprzęt turystyczny i sportowy, akcesoria motoryzacyjne i elementy stolarki aluminiowej. Anodowane druty aluminiowe stosowane są jako przewody w instalacjach elektrycznych. Powłoki tlenkowe wytwarzane są na folii aluminiowej, przeznaczonej na elektrody w kondensatorach. Twarde powłoki anodowe stosowane są w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym [3]. Anodowe powłoki tlenkowe trwale związane z aluminiowym podłożem. są odporne na korozję. Odporność korozyjną mogą obniżać pory w powłoce lub obecność szkodliwych składników stopowych i domieszek, szczególnie miedzi. Fazy międzymetaliczne miedzi z glinem rozpuszczają się podczas anodowania, co powoduje obniżenie twardości i grubości powłok, a zwiększenie porowatości [4]. Podczas procesu tworzenia się tlenku aluminium następuje niewielki przyrost masy obrabianego elementu oraz jego objętości. Warstwa tlenków jest bardzo mocno złączona z podłożem. Rozpuszczanie się warstwy tlenków możliwe jest tylko w roztworach zasadowych lub kwaśnych o ph większym niż 8,8 względnie niższym niż 4,0 [5]. 1 Część badań wykonano w Delft University of Technology podczas stażu naukowego w ramach programu ERASMUS-SOCRATES

2 L.A. Dobrzański, K. Labisz, J. Konieczny, J. Duszczyk Celem niniejszej pracy jest zbadanie struktury i grubości powłok wytworzonych na odlewniczych stopach aluminium w procesie anodyzacji oraz ocena wpływu elektrolitu i metody odlewania stopów na wytworzoną warstwę anodową. 2. PRZEBIEG BADAŃ Badania wykonano na próbkach ze stopów AlSi12 oraz AlSi9Cu3. Procesy odlewania oraz anodowania przeprowadzono w holenderskiej firmie MIFA. Zarówno dla stopu AlSi12 jak i dla AlSi9Cu3 zastosowano odlewanie ciśnieniowe oraz piaskowe. Skład chemiczny stopów podano w tablicy 1. Parametry technologiczne procesu anodowania ujęto w tablicy 2. Tablica 1. Stężenie pierwiastków stopowych w stopach AlSi12 i AlSi9Cu3. Stop Stężenie masowe pierwiastków, % Si Mg Cu Mn Fe Zn Al AlSi12 12,5 0,05 0,05 0,5 0,6 0,1 Reszta AlSi9Cu3 9,5 1,5 3,0 0,5 0,9 0,5 Reszta Tablica 2. Parametry anodowania. Wielkość Elektrolit Temperatura Prąd pulsujący Stężenie jonów aluminium Wartość H 2 SO 4 o stężeniu g/l 4 2 C 2 A/dm 2 przez 0,25 s, 1 A/dm 2 przez 0,1 s 6 9 g/l Dla określenia wpływu rodzaju elektrolitu na homogeniczność porów w warstwie tlenków przy tych samych parametrach anodowaniu poddano próbki ze stopu AlSi12 w obecności elektrolitów: 3% H 2 C 2 O 4, 4% H 3 PO 4, 4% H 2 SO 4, 3%CrO 3. Test na zużycie ścierne wykonano przy użyciu urządzenia ABR-8251 dostarczonego przez firmę TCD Teknologi ApS. Testy przeprowadzono zgodnie ze specyfikacją i wymaganiami standardu ISO Do testu zastosowano obciążenie 4,9 N, przy prędkości poślizgu 40 cykli/min. Obszar testowy wynosi 12 x 30 mm. Badania metalograficzne przeprowadzono na mikroskopie świetlnym typu OLYMPUS BX60M wyposażonym w kamerę OLYMPUS DP10. Zapisu i obróbki zdjęć dokonano na komputerze PC przy pomocy programu analysis firmy OLYMPUS. 3. OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ 3.1. WYNIKI TESTU ZUŻYCIA ŚCIERNEGO W wyniku testu zużycia ściernego stwierdzono, że anodyzacja zmniejsza zużycie ścierne. Najlepszą wytrzymałość na zużycie uzyskano, gdy grubość warstwy anodowej jest duża (ok. 48 m). Częściowe usunięcie powłoki zaobserwowano dla wszystkich odlewów wykonanych w formie ciśnieniowej, gdzie grubość powłoki jest mniejsza (ok. 10 m). Próbki z stopu

3 Wpływ metody odlewania stopów i parametrów anodowania na strukturę... AlSi12 wykazują większy ubytek masy, który jest spowodowany tym, iż miejsce testu znajduje się blisko zamocowania elektrody (warstwa jest w tym miejscu prawdopodobnie cieńsza). Z wyników zawartych w tablicy nr 3 wynika, że dla stopu AlSi9Cu3 odlewanego w formie piaskowej próbki anodyzowane mają o połowę mniejszy ubytek masy niż próbki nieanodyzowane. W pozostałych przypadkach występuje zmniejszenie ubytku masy od 30 do 47%. Tablica 3. Ubytek masy w mg zarejestrowany podczas testu na zużycie ścierne Metoda odlewania Stop forma piaskowa odlew ciśnieniowy odlew nieanodowany odlew anodowany odlew nieanodowany odlew anodowana AlSi9Cu3 14,7 7,3 17,6 10,9 AlSi ,2 18,7 10 Inną zmienną, która może mieć wpływ na wyniki testu na zużycie ścierne jest chropowatość powierzchni. Bazując na otrzymanych wynikach stwierdzono, że większa chropowatość, która jest charakterystyczna dla odlewów w formie piaskowej ma pozytywny wpływ na wyniki testu na zużycie ścierne. Rys. 1. Porównanie ścieralności odlewów ciśnieniowych Rys. 2. Porównanie ścieralności odlewów piaskowych 3.2. WPŁYW RODZAJU ELEKTROLITU NA HOMOGENICZNOŚĆ PORÓW W WARSTWIE TLENKÓW Podczas obserwacji metalograficznych próbek anodowanych w obecności różnych elektrolitów stwierdzono, że struktura warstwy anodowej przedstawiona na rys.3. wykazuje znacznie większą homogeniczność uzyskanych w wyniku anodowania porów, niż struktura przedstawiona na rys.4. Stwierdzono ponadto, że rodzaj elektrolitu używanego podczas anodowania wpływa także na średnicę i ułożenie porów względem siebie. Struktura pokazana na rys.5. przedstawia mniejsze pory o mniejszej średnicy niż na rys.6., także ich ułożenie jest bardziej regularne.

4 L.A. Dobrzański, K. Labisz, J. Konieczny, J. Duszczyk Rys.3. Struktura porowatej warstwy anodowej, elektrolit: 3% H 2 C 2 O 4, pow. 2500x Rys.4. Struktura porowatej warstwy anodowej, elektrolit: 4% H 3 PO 4, pow. 2500x Rys.5. Struktura porowatej warstwy anodowej, elektrolit: H 2 SO 4, pow. 2500x Rys.6. Struktura porowatej warstwy anodowej, elektrolit: CrO 3, pow. 2500x W wyniku przeprowadzonych badań metalograficznych (rys. 7 10) stwierdzono, że warstwa anodowana wytworzona na odlewach ciśnieniowych i piaskowych dla obydwu stopów nie wykazuje przerw, co zapobiega pojawianiu się wżerów, a zawarte w niej wydzielenia krzemu (w kształcie igieł) wpływają na zwiększenie wytrzymałości na ścieranie. Rys.7. Powłoka anodowa wytworzona na stopie AlSi9Cu3, odlew ciśnieniowy Rys.8. Powłoka anodowa wytworzona na stopie AlSi9Cu3, odlew piaskowy

5 Wpływ metody odlewania stopów i parametrów anodowania na strukturę... Rys.9. Powłoka anodowa wytworzona na stopie AlSi12, odlew piaskowy Rys.10. Powłoka anodowa wytworzona na stopie AlSi12, odlew ciśnieniowy Na podstawie pomiarów grubości warstwy anodowanej, przedstawionych w tabeli 4. stwierdzono, że dla obydwu stopów grubość wytworzonej warstwy anodowanej jest większa w przypadku odlewu piaskowego, a mniejsza dla odlewu ciśnieniowego przy tych samych parametrach anodowania. Tablica 4. Wyniki pomiaru grubości warstwy anodowanej. Stop Lp AlSi9Cu3 AlSi12 odlew ciśnieniowy odlew piaskowy Odlew ciśnieniowy odlew piaskowy Wartość średnia 16,6 m 52,3 m 9,7 m 43,7 m Odchylenie standardowe 1,17 m 9,74 m 1,64 m 3,8 m Rys. 11. Porównanie grubości warstwy anodowej wytworzonej na stopach AlSi12 (odlew piaskowy i ciśnieniowy) i AlSi9Cu3 (odlew piaskowy i ciśnieniowy)

6 L.A. Dobrzański, K. Labisz, J. Konieczny, J. Duszczyk 4. WNIOSKI Rezultaty badań podane w Tablicy 3 pozwalają jednoznacznie określić, który z badanych stopów w kombinacji z odpowiednią metodą wytwarzania (odlewanie piaskowe lub ciśnieniowe) posiada najwyższą odporność na ścieranie. Najlepsze wyniki powinna dać kombinacja stopu AlSi9Cu3 z odlewaniem w formie piaskowej oraz stop AlSi12 odlewany w formie ciśnieniowej chociaż dla elementów ze stopu AlSi9Cu3 rozpatrywane anodyzowane próbki nie są reprezentatywne aby można było dokonać właściwego porównania pomiędzy odlewaniem w formie piaskowej i ciśnieniowej dla tegoż składu chemicznego. Wyniki testu zawarte w tabeli pozwalają zauważyć, że stopy anodowane, zarówno AlSi9Cu3 jak i AlSi12 wykazują mniejszy ubytek masy w porównaniu do stopów nieanodowanych. Można zauważyć, że również metoda odlewania wpływa na odporność na ścieranie; stopy odlane piaskowo wykazują mniejszy ubytek masy podczas przeprowadzanego testu, wykazują one zatem większą odporność na ścieranie. BIBLIOGRAFIA 1. G. Winandy, Light Met. Age 1994, Nr 9 10, s T. 2. L. A. Dobrzański, J. Konieczny, M 3 E, Gliwice Młynarczyk A., Jakubowski J., : Obróbka powierzchniowa i powłoki ochronne, Wydaw. Polit. Poz., Poznań G.H.Kissin, B.E.Deal, IOP-Metalen Kennisoverdracht, TU Delft G.E.Thompson, H.Habazaki, IOP-Metalen Kennisoverdracht, TU Delft 2000