WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI NOWYCH ODLEWANYCH STOPÓW UKŁADU Cu-Ni-Al UTWARDZANYCH DYSPERSYJNIE.

Transkrypt

1 32/38 Solidification of Metals and Alloys, No. 38, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 38, 1998 PAN Katowice PL ISSN WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI NOWYCH ODLEWANYCH STOPÓW UKŁADU Cu-Ni-Al UTWARDZANYCH DYSPERSYJNIE. Gierek A., Kania H., Liberski P., Mikuszewski T., Podolski P. Katedra Technologii Stopów Metali i Kompozytów, Politechnika Śląska 4-19 Katowice, ul. Krasińskiego 8. POLAND STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki pomiarów twardości i odporności na ścieranie jak również badań właściwości odlewniczych nowych odlewanych stopów układu Cu-Ni-Al. Biorąc pod uwagę zakres potencjalnych zastosowań tych stopów, ich właściwości porównano z właściwościami brązu BA 144. Stwierdzono, że twardość, jak i odporność na ścieranie badanych stopów są wyższe od ścieralności i twardości brązu aluminiowego BA WSTĘP Stopy miedzi zawierające nikiel, aluminium i inne pierwiastki są tworzywami o szerokich możliwościach ich zastosowania w przemyśle ze względu na dobre właściwości mechaniczne oraz znaczną odporność na ścieranie [1] i korozję [2]. Mogą one być wykorzystane m.in. w przemyśle hutniczym, maszynowym i chemicznym do wytwarzania elementów armatury oraz średnio i silnie obciążonych części maszyn i urządzeń poddanych ścieraniu i korozji, w tym również na elementy pracujące w podwyższonych temperaturach. Stopy miedzi z dodatkami niklu i aluminium należą do stopów utwardzanych wydzieleniowo, przy czym istnieje również możliwość dodatkowego ich umocnienia poprzez gniot na zimno. Analizując fragment wykresu równowagi fazowej układu potrójnego Cu-Ni- Al. (rys.1.), można stwierdzić, że w temperaturze 773 K przy zawartości Al do 5% w układzie może występować roztwór stały α, mieszanina α+κ (Ni 3 Al), mieszanina α+ι (NiAl) oraz mieszanina α+κ (Ni 3 Al)+ι (NiAl). Jak wykazały przeprowadzone badania [4 5], wydzielające się w czasie starzenia stopów Cu-Ni-Al fazy NiAl i Ni 3 Al mają różną morfologię i wnoszą różny wkład w ich umocnienie. Sferyczne, drobnodyspersyjne, koherentne wydzielenia fazy Ni 3 Al powodują silne umocnienie, natomiast faza NiAl, tworząca duże, nieliczne i niekoherentne wydzielenia, nie wywiera znaczącego wpływu na wzrost właściwości wytrzymałościowych.

2 22 2 γ 2 Al, % 1 15 α + γ 2 α + γ 2 + ι 5 α + ι α + ι + κ α α + κ Cu Ni, % Rys.1. Wykres równowagi układu Cu-Ni-Al w temp. 773 K [3]. Fig.1. Constitutional diagram for Cu-Ni-Al alloys at the temperature 773 K [3]. Dlatego najlepszymi właściwościami fizyczno-mechanicznymi powinny się charakteryzować stopy o składzie chemicznym odpowiadającym obszarowi występowania mieszaniny α + κ(ni 3 Al) oraz o proporcji zawartości Al do Ni odpowiadającej składowi stechiometrycznemu fazy Ni 3 Al. 2. CEL I ZAKRES PRACY Celem niniejszej pracy jest dobór parametrów obróbki cieplnej wybranych stopów układu Cu-Ni-Al oraz określenie ich twardości i odporności na ścieranie po obróbce cieplnej. Zawarto w niej także określenie podstawowych właściwości odlewniczych tych stopów, czyli ich lejności i skurczu odlewniczego. 3. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Do badań wytypowano dwa stopy o zawartościach Ni i Al odpowiadających składowi stechiometrycznemu fazy Ni 3 Al. Materiałem porównawczym w badaniach właściwości mechanicznych był brąz BA144 o wysokich właściwościach wytrzymałościowych oraz dużej odporności na ścieranie i korozję. Brąz ten znalazł zastosowanie m.in. w przemyśle okrętowym, lotniczym, chemicznym i górniczym na części maszyn, silników oraz osprzętu i aparatury narażone na korozję i ścieranie, przy jednoczesnym obciążeniu mechanicznym. Skład chemiczny badanych stopów zamieszczono w tab.1. W charakterze składników wsadowych wykorzystano miedź elektrolityczną M1E, nikiel elektrolityczny N1U, aluminium rafinowane AR1 o czystości 99,9% Al oraz żelazo Armco. Stopy wytopiono w indukcyjnym piecu próżniowym VSG-2 firmy Balzers w próżni rzędu 1-2 Tora, w tyglu z węglika krzemu.

3 23 Tab.1. Skład chemiczny badanych stopów miedzi. Stop/zawartość dodatków Ni Al Fe Cu CuNi13Al2 13,6 2 - Reszta CuNi19Al3 19,6 3 - Reszta BA Reszta Temperatura wytapiania i odlewania wynosiła 1573 K. Ciekłe stopy odlano do form grafitowych uzyskując pręty o średnicy 2 x 1-2 m, które pocięto na próbki o wysokości 1-2 m. W celu określenia optymalnych parametrów obróbki cieplnej wybranych stopów Cu-Ni-Al, próbki podzielono na trzy grupy. Jedną grupę pozostawiono do dalszych badań w stanie surowym, a pozostałe dwie poddano dwom wariantom obróbki cieplnej: I Wariant- wyżarzanie rozpuszczające w temperaturze 1223 K przez 1 godzin, chłodzenie z piecem do temperatury otoczenia; II Wariant-wyżarzanie rozpuszczające w temperaturze 1223 K przez 1 godzin, oziębianie w wodzie. Próbki wyżarzane wg w/w wariantów, starzono następnie w temperaturze 823 K w czasie,25;,5; 1; 1,5; 2; 4; 7; 9 i 12 godzin. Po obróbce cieplnej dokonano pomiarów twardości metodą Vickersa pod obciążeniem 1 kg, wykorzystując w tym celu twardościomierz Vickers-Brinell typu HPO-25. Pomiarów zużycia ściernego dokonano metodą Schoppera przy użyciu aparatu APGi. Ścieralność określono jako ubytek objętości próbki wg wzoru: V=[(m 1 -m 2 )/ρ] x (1/η) gdzie: V - ubytek objętości próbki w trakcie ścierania, cm 3 ; m 1 - masa próbki przed ścieraniem, g; m 2 - masa próbki po zakończeniu ścierania, g; ρ - gęstość, g/cm 3 ; η- współczynnik intensywności ścierania papieru. Lejność badanych stopów określono na podstawie próby spiralnej z kanałem o stałym przekroju w położeniu poziomym, zgodnie z PN-61/H Skurcz liniowy określono na podstawie zmian wymiarów liniowych próbek w kształcie prostopadłościennej belki o wymiarach 32x24x24 mm ze stożkowymi występami rozmieszczonymi w odległości 3 mm. 4. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Kinetykę zmian twardości badanych stopów w trakcie starzenia przedstawiono na rys.2. Z zależności tych wynika, że w wypadku zastosowania wariantu II z oziębianiem w wodzie po wyżarzaniu badane stopy osiągnęły znacznie wyższą twardość niż stopy chłodzone z pie-

4 24 cem (wariant I). Najwyższa twardość oznaczona dla stopu CuNi13Al2 wynosi 41 HV, a dla stopu CuNi19Al3-432 HV. Wartości tej twardości są prawie dwukrotnie wyższe od twardości brązu BA 144, która po obróbce cieplnej wynosi 219 HV. Z rys.2 wynika, że spadek twardości stopów układu Cu-Ni-Al rozpoczyna się dopiero po przekroczeniu 7 godzin starzenia, co świadczy o znacznej stabilności termicznej badanych stopów CuNi13Al2 I wariant II wariant Twardość HV Czas starzenia [h] CuNi19Al3 I wariant II wariant Twardość HV Czas starzenia [h] Rys.2. Zmiany twardości stopów CuNi13Al2 i CuNi19Al3 w trakcie starzenia. Fig.2. Hardness changes during ageing in the CuNi13Al2 and CuNi19Al3 alloys. Wyniki badań odporności na ścieranie badanych stopów zestawiono na rys. 3 5.

5 25 Ubytek objętości [m 3 ] surowy I po wyżarzaniu II po wyżarzaniu I po starzeniu II po starzeniu Droga ścierania [m] CuNi13Al2 Rys.3. Zmiany objętości próbek ze stopu CuNi13Al2 w trakcie ścierania. Fig.3. Volume changes of the CuNi13Al2 specimens during wear. Ubytek objętości [m 3 ] surowy I po wyżarzaniu II po wyżarzaniu I po starzeniu II po starzeniu Droga ścierania [m] CuNi19Al3 Rys.4. Zmiany objętości próbek ze stopu CuNi19Al3 w trakcie ścierania. Fig.4. Volume changes of the CuNi19Al3 specimens during wear. Ubytek objętości [m 3 ] CuNi13Al2 - I CuNi19Al3 - I BA 144 CuNi13Al2 - II CuNi19Al3 - II Droga ścierania [m] Rys. 5. Porównanie odporności na ścieranie badanych stopów CuNiAl z brązem BA 144. Fig.5.Comparison of wear resistance the investigation CuNiAl alloys with Cu-Ni-Fe-Al bronze. Jak wynika z przedstawionych wykresów, największą odpornością na ścieranie, czyli najmniejszym zużyciem, charakteryzują się stopy, które przed starzeniem były oziębiane w wo-

6 26 dzie. Odporność ta jest wyższa od odporności na ścieranie brązu BA 144. Należy przy tym zaznaczyć, że największą odpornością na ścieranie charakteryzuje się stop o wyższej zawartości niklu i aluminium, co jest spowodowane prawdopodobnie większym udziałem faz umacniających w jego strukturze. Dla stopu Cu-19,6%Ni-3%Al o wyższych właściwościach mechanicznych określono podstawowe właściwości odlewnicze - lejność oraz skurcz liniowy. Wyniki przeprowadzonych badań zamieszczono w tab.2. Wykazują one, że zakres temperatury odlewania stopu Cu-19,6%Ni-3%Al powinien mieścić się w zakresie K. Odpowiada to zakresowi temperatury odlewania innych stopów miedzi z niklem, np. Cu-19%Ni ( K). Tab.2. Wyniki badań właściwości odlewniczych stopu Cu-19,6%Ni-3%Al. Temperatura odlewania, K Lejność, cm Skurcz liniowy, % - 2,24 2,41 5. WNIOSKI 1. Najkorzystniejszym wariantem obróbki cieplnej odlewanych stopów CuNi13Al2 i CuNi19Al3 jest ich wyżarzanie w temperaturze 1223 K w ciągu 1 godzin, a następnie oziębianie w wodzie i starzenie w temperaturze 823 K w czasie 2 7 godzin. 2. Stopy CuNi13Al2 i CuNi19Al3 poddane utwardzaniu dyspersyjnemu wg najkorzystniejszego wariantu obróbki cieplnej charakteryzują się ok. 2 krotnie wyższą twardością oraz wyższą odpornością na ścieranie od brązu aluminiowego BA Stop CuNi19Al3 charakteryzuje się dobrymi właściwościami odlewniczymi, przy czym temperatura odlewania tego stopu powinna mieścić się w zakresie K. LITERATURA [1] S.K. Biswas: Silding wear of materials. First World Tribology Congress. Mechanical Engineerin Publications Limited - London 8 12 Sept [2] Miki M., Amano Y.: Trans. JIM, Vol.2, 1979, 1. [3] Hansen M., Anderko K.: Constitution of Binary Alloys. Mc Graw-Hill Book Comp., New York [4] Cho Y., Kim Y., Lee T.: Journal of Mater. Sc., No 21, 2879, [5] Gryziecki J., Sierpiński Z., Łatkowski A.: Kształtowanie struktury stopów CuNiAl umacnianych wydzieleniowo. II Konf. Stopy Miedzi, Wrocław-Szklarska Poręba EXAMINATION OF FOUNDRY PROPERTIES OF CU-NI-AL TYPE COPPER ALLOYS HARDENED BY MEANS OF DISPERSE METHOD. ABSTRACT This paper presents the results of investigations hardness and wears resistance as well as the casting properties new Cu-Ni-Al alloys. Taking account the potential usage, their properties were compared with the properties of Cu-Ni-Fe-Al (BA 144) bronze. The highest hardness and the best wear resistance of Cu-Ni-Al alloys, in comparison with Cu-Ni-Fe-Al bronze have been found.