WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA MIKROSTRUKTURĘ SILUMINÓW

Transkrypt

1 18/9 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 9 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 9 PAN Katowice PL ISSN WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA MIKROSTRUKTURĘ SILUMINÓW STRESZCZENIE R. GOROCKIEW ICZ 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego Zielona Góra, ul. Szafrana 4. Badano wpływ obróbki cieplnej siluminów na podatność krzemu eutektycznego do koalescencji i zaokrąglania się. Badania potwierdziły, że procesy koalescencji i zaokrąglania krzemu eutektycznego zachodzą łatwiej i szybciej, gdy cząsteczki krzemu eutektycznego w stanie przed obróbką cieplną są bardziej zdyspergowane. Key words: the structure, the heat-treatment, the silumin 1. WPROWADZENIE Umocnienie roztworu i morfologia faz międzymetalicznych, to jedne z podstawowych cech mikrostruktury stopów aluminium, decydujących o własnościach mechanicznych. Stopień umocnienia roztworu i wiążąca się z nim utrata plastyczności są zależne od rodzaju i ilości składników stopowych wprowadzonych do stopu [1]. W pracy [2] wykazano, że odporność na pękanie eutektycznego stopu Al.-Si jest ściśle powiązana z rozmiarem i morfologią cząsteczek krzemu. Stwierdzono przy tym, że włóknista morfologia krzemu i jego rozdrobnienie, uzyskane przez modyfikowanie ciekłego metalu strontem, podwyższa odporność na pękanie stopu. Własności wytrzymałościowe większości stopów mogą być poprawiane przez obróbkę cieplną, której efekt zależy m.in. od składu chemicznego i struktury pierwotnej. W wielu pracach, m.in. [1, 4, 5] stwierdzono, że podczas wygrzewania przy wyżarzaniu jak i przesycaniu siluminów, oprócz ujednorodnienia roztworu stałego α zachodzą procesy koalescencji krzemu eutektycznego. Autor pracy [4] zauważa, że na końcową postać krzemu ma wpływ jego stan pierwotny. 1 dr inż., r.gorockiewicz@iipm.uz.zgora.pl

2 134 W prezentowanej pracy przedstawione są wyniki badań nad wpływem obróbki cieplnej siluminów o różnej postaci eutektyki na podatność krzemu eutektyczn ego do koalescencji i sferoidyzacji. 2. METODYKA BADAŃ Badaniom poddano próbki płaskie 55x10x6 mm pobrane z odlewów ciśnieniowych oraz próbki 55x10x10 mm wycięte z gąsek, z których te odlewy wykonano. Część próbek została obrobiona cieplnie. Wygrzewanie próbek przeprowadzono w piecu muflowym w atmosferze powietrza. Gatunki, skład chemiczny użytych stopów oraz rodzaj i parametry zastosowanej obróbki cieplnej przedstawione są w tabeli 1. Tabela 1.Skład chemiczny i stan materiałów użytych w badaniach Table 1. Chemical composition of materials Stop Skład chemiczny, % wag Stan * Si Fe Cu Mn Mg Zn Al Stop AlSi9 9,31 0,59 0,27 0,30 0,30 0,12 89,10 A C Stop 11,87 0,30 0,10 0,10 0,02 0,05 87,60 A AlSi12 Stop AlSi9Cu2Fe C 9,02 0,83 2,27 0,21 0,48 0,93 85,97 A C D * A bez obróbki cieplnej, C - wyżarzanie (wygrzewanie w 510 o C przez 12 godzin i chłodzenie z piecem), D utwardzanie wydzieleniowe (wygrzewanie w 510 o C przez 12 godzin i chłodzenie w gorącej wodzie + starzenie w 170 o C przez 6 godzin z chłodzeniem w powietrzu) Obserwację mikrostruktury materiału próbek przeprowadzono na mikroskopie optycznym NEOPHOT 2. Zgłady trawiono odczynnikiem o składzie: 0,5 ml HF + 99,5 ml H 2 O. Dodatkowo na każdej próbce wykonano pomiary twardości, wykonując po trzy odciski, z których wyznaczono wartość średnią. Pomiar twardości wykonano metodą Brinella w oparciu o normę PN-91/H Wyniki obserwacji mikrostruktury i twardości przedstawione są na rys WYNIKI BADAŃ Mikrostrukturę stopów użytych do odlewania ciśnieniowego w stanie bez obróbki cieplnej (rys.1a. 2a, 3a) tworzą wydzielenia krzemu eutektycznego w postaci smukłych płytek na tle roztworu stałego (stop AlSi9) lub iglastej eutektyki ( +Si) stop AlSi12 - z widocznymi owalnymi komórkami pierwotnej fazy. Mikrostrukturę stopu AlSi9Cu2Fe w stanie bez obróbki cieplnej (rys.3a) stanowi drobnoziarnista eutektyka ( +Si) i dendryty fazy. W mikrostrukturze materiału próbek pobranych z odlewów ciśnieniowych w porównaniu do mikrostruktury stanu wyjściowego widać wyraźnie większy udział komórek roztworu pierwotnego oraz większą dyspersję eutektyki rys.:4a, 5a i 6a. W stopie AlSi9 widoczne są również w kształcie sześcianów, drobne kryształy pierwotnego krzemu. Mikrostrukturę stopów AlSi9 i

3 135 AlSi9Cu2Fe zarówno w stanie wyjściowym, jak i odlanych ciśnieniowo uzupełniają iglaste i w kształcie przypominającym chińskie litery wydzielenia faz bogatych w żelazo [1, 3, 6]. Rys. 1. Mikrostruktura stopu AlSi9: a) bez obróbki cieplnej twardość 55HB, b) po wyżarzaniu C twardość 45HB Fig. 1. The microstructure of alloy AlSi9: a) without the heat-treatment, b) after annealing C Rys. 2. Mikrostruktura stopu AlSi12: a) bez obróbki cieplnej twardość 49HB, b) po wyżarzaniu C twardość 39HB Fig. 2. The microstructure of alloy AlSi12: a) without the heat-treatment, b) after annealing C

4 136 c) Rys. 3. Mikrostruktura stopu AlSi9Cu2Fe: a) bez obróbki cieplnej twardość 112HB, b) po wyżarzaniu C twardość 71HB, c) po utwardzaniu wydzieleniowym twardość 130HB Fig. 3. The microstructure of alloy AlSi9Cu2Fe: a) without the heat-treatment, b) after annealing C, c) after hardening age Ponadto w stopie AlSi9 widoczna jest faza Mg 2 Si, a w stopie AlSi9Cu2Fe faza Al. 2 Cu. Fazy te, podobnie jak cząsteczki krzemu wykazują większą dyspersję po odlewaniu ciśnieniowym. Zastosowana obróbka cieplna próbek spowodowała zmianę głównie morfologii krzemu eutektycznego rys. 3b, 4b, 5b i 5c. Szczególnie w mikrostrukturze próbek pobranych z odlewów ciśnieniowych widać, jak wysmukłe i krótkie igły krzemu w wyniku obróbki cieplnej przekształciły się w drobne, globularne i bardziej równomiernie rozłożone wydzielenia. Długie igły krzemu, jak to ma miejsce w stopie AlSi12 uległy częściowej fragmentacji, a zaokrągleniu głównie na narożach.

5 137 Rys. 4. Mikrostruktura stopu AlSi9 odlew ciśnieniowy: a) bez obróbki cieplnej twardość 72HB; b) po wyżarzaniu C twardość 45HB Fig. 4. The microstructure of alloy AlSi9 - the die casting : a) without the heat-treatment, b) after annealing C Rys. 5. Mikrostruktura stopu AlSi12 odlew ciśnieniowy: a) bez obróbki cieplnej twardość 65HB; b) po wyżarzaniu C - twardość 30HB. Fig. 5. The microstructure of alloy AlSi12 the die casting : a) without the heat-treatment, b) after annealing C

6 138 c) Rys. 6. Mikrostruktura stopu AlSi9Cu2Fe odlew ciśnieniowy: a) bez obróbki cieplnej twardość 69 HB; b) po wyżarzaniu C -twardość 34 HB; c) po utwardzaniu wydzieleniowym twardość 42 HB Fig. 6. The microstructure of alloy AlSi9Cu2Fe - the die casting : a) without the heattreatment, b) after annealing C, c) after hardening age Wolne chłodzenie po wygrzewaniu sprzyja pogrubianiu się cząsteczek krzemu rys.1b 6b, natomiast szybkie chłodzenie zapewnia ich większą dyspersję (rys.3c i 6c oraz 3b i 6b). Wyżarzanie i utwardzanie wydzieleniowe stopów nie zmieniło morfologii faz bogatych w żelazo. Iglasta faza bogata w żelazo jest powodem obniżenia wytrzymałości [4] i zwiększenia kruchości odlewniczych stopów Al.-Si [3]. Zaobserwowane zmiany w mikrostrukturze stopów obrobionych cieplnie ma swoje odbicie w zmianach twardości rys.1-6. Wyżarzanie spowodowało obniżenie twardości, ale równocześnie jak to wykazano w pracy [5] spowodowało znaczny wzrost udarności, tym większy im intensywniej zaszły procesy związane z koalescencją i zaokrąglaniem cząsteczek krzemu. 4. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonych badań na stopach AlSi9, AlSi9Cu2Fe i AlSi12 stwierdzono, że postać eutektyki ma istotny wpływ na podatność krzemu eutektycznego do koalescencji i zaokrąglania podczas obróbki cieplnej. Wysmukłe i krótkie igły krzemu w wyniku obróbki cieplnej przekształcają się w drobne, globularne i bardziej równomiernie rozłożone wtrącenia. Długie igły krzemu ulegają częściowej fragmentacji, a zaokrągleniu głównie na narożach. Wynika z tego, że zjawiska

7 139 koalescencji i zaokrąglania krzemu eutektycznego zachodzą łatwiej i szybciej, gdy cząsteczki krzemu eutektycznego w stanie przed obróbką cieplną są bardziej zdyspergowane. Na postać krzemu istotnie wpływa szybkość chłodzenia po wygrzewaniu. Wolne chłodzenie, np. z piecem sprzyja pogrubianiu, natomiast szybkie chłodzenie, np. w wodzie z późniejszym starzeniem zwiększa dyspersję cząsteczek krzemu. Z dokonanych obserwacji mikrostruktury wynika również, że wyżarzanie i utwardzanie wydzieleniowe stopów nie zmienia w istotny sposób morfologii faz bogatych w żelazo. LITERATURA [1] Poniewierski Z.: Krystalizacja, struktura i właściwości siluminów, WNT, Warszawa [2] Hafiz M.F., Kobayashi T.: Fracture toughness of eutectic Al-Si casting alloy with different microstructural features, Journals of materiale science, 1996, s [3] Mondolfo L.F.: Aluminium Alloys, Structure and Properties, Butter Worths- London-Boston [4] Pietrowski St.: Siluminy, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź [5] Gorockieiwcz R.: Wpływ twardości i mikrostruktury stopów aluminium na udarność, Archiwum Odlewnictwa, vol 3, nr 8, 2003, s [6] Gorockiewicz R.: prace własne nie publikowane. SUMMARY THE INFLUENCE OF THE HEAT-TREATMENT ON THE MICROSTRUCTURE OF THE SILUMIN The influence of the heat-treatment of silumins on the susceptibility of the eutectic - Si to coalescence and sheroidise has been examined. Research confirmed that processes of coalescence and spheroidise of the eutectic - Si happen more easily and more quickly, when particles of the silicon before a heat-treatment are more dispercity. Recenzował Prof. Zbigniew Górny