KRYTERIA OCENY ODLEWÓW Z TYTANU l JEGO STOPÓW WYTWARZANYCH WEDŁUG METODY WYTAPIANYCH MODELI STRESZCZENIE

Transkrypt

1 19/41 Solidification of Melals and Alloys, Year 1999, Volume l, Book No. 41 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik l, Nr 41 PAN- Katowice PL ISSN KRYTERIA OCENY ODLEWÓW Z TYTANU l JEGO STOPÓW WYTWARZANYCH WEDŁUG METODY WYTAPIANYCH MODELI ST ACHAŃCZYK JERZY - Instytut Odlewnictwa TURZYŃSKI JÓZEF- Instytut Odlewnictwa STRESZCZENIE Technologia wytwarzania odlewów precyzyjnych z tytanu i jego stopów jest zagadnieniem trudnym i bardzo skomplikowanym ze względu na występowanie szeregu zjawisk na granicy metal - forma odlewnicza. Efekt reakcji ocenia się na podstawie wyglądu zewnętrznego (chropowatość powierzchni), zmian struktury i składu chemicznego warstwy powierzchniowej oraz powstających związków chemicznych. W artykule opisano typowe mechanizmy reakcji na granicy ciekły metal - forma odlewnicza. Przedstawiono wyniki prób i badań pozwalających na ocenę jakości odlewów poprzez określenie wielkości warstwy wadliwej (a - case), ilość mikrowtrąceń, chropowatość powierzchni oraz właściwości tworzywa metalowego. l. WSTĘP Odlewnictwo precyzyjne to metoda pozwalająca na otrzymanie wyrobu metalowego o dowolnie skomplikowanym kształcie, z każdego stopu odlewniczego, o masie od kilku gramów do kilkunastu kg, w tolerancjach wymiarowych odpowiadających klasie CT4- CT6 wg ISO 8062, o chropowatości powierzchni odpowiadającej klasie N7 -N9 wg ISO 2632/3 Technika wytwarzania odlewów precyzyjnych wykonywanych ze stopów żelaza, stopów metali nieżelaznych i nadstopów (stopy Ni, Co) jest praktycznie opanowane i nie stwarza większych problemów w trakcie produkcji typowych odlewów maszynowych. Zagadnienie komplikuje się w przypadku produkcji lotniczej i wojskowej; mogą występować wymagania dotyczące np. określonego stopnia rozdrobnienia struktury, krzepnięcia kierunkowego, odwzorowania kanałów wewnętrznych (łopatki lotnicze) itp. Zupełne inne problemy występują w przypadku wykonywania odlewów precyzyjnych z tytanu i jego stopów. Technologia odlewania tytanu należy do jednej z najtrudniejszych i najbardziej skomplikowanych metod odlewniczych ze względu na:

2 140 aktywność chemiczną ciekłego tytanu, wysoką temperaturę topienia i odlewania, małą gęstość przy ró wnocześnie wysokiej lepkości, trudno ś ci z doborem materiałów formierskich odpornych na działanie cieklego tytanu i jego stopów. 2. CZYNNIKI WPLYW AJĄCE NA JAKOŚĆPRECYZYJNYCH ODLEWÓW TYTANOWYCH Zagadnieniem podstawowym decydującym o jakości tytanowych odlewów precyzyjnych jest ograniczenie do minimum niekorzystnych zjawisk występujących na granicy faz c i ekły metal - forma ceramiczna, wyeliminowanie porowatości. W przypadku tytanu i jego stopów, ze względu na warunki topienia i odlewania, możliwe są następujące zjawiska na granicy faz: rozpuszczanie formy; najbardziej rozpowszechnione, rozpuszczanie formy połączone równocześnie z reakcją na granicy faz, penetracja metalu w materiał formy [l]. W wyniku w/w zjawisk na powierzchni odlewów powstaje warstwa wadliwa określona umownie a- case. Tworzenie się w/w warstwy zależy od: temperatury ciekłego metalu, czasu krzepnięcia do temperatury 5000C, składu chemicznego formy. Zasadniczą przyczyną powstawania warstwy wadliwej a na powierzchni precyzyjnego odlewu tytanowego jest silne powinowactwo tytanu do tlenu. Tlen znajduje się w wyjściowym tworzywie metalowym oraz powstaje w wyniku reakcji na granicy faz [3,4]. Zdecydowanie największy wpływ na wielkość warstwy wadliwej a ma zjawisko rozpuszczania formy połączone z reakcją. W trakcie wzajemnego oddziaływania na granicy faz, materiał formy rozpuszcza się w ciekłym metalu a tlen dyfunduje do metalu w którym rozpuszczają s ię również tlenki Ti0 2 i TiO, dlatego podstawową trudnością w doborze materiałów formierskich stosowanych do odlewania tytanu jest o kre ś lenie efektu rozpuszczania i reakcji na granicy faz. Przyczyną nieodpowiedniej jakości odlewów jest również penetracja - przenikanie ciekłego metalu przez mikropęknięcia formy, jest to wynik niskiej wytrzymałości formy lub reakcji na granicy faz [l,5]. Typową wadą wewnętrzną odlewów z tytanu i jego stopów jest porowatość, której przyczyną są zarówno gazy zawarte w materiale wyjściowym jak również powstające w wyniku zjawisk zachodzących na granicy faz oraz warunki odlewnicze. Stosowanie odlewania odśrodkowego stwarza warunki do przepływu ciekłego metalu ruchem turbulentnym z dużą szybkością i przy wysokim ciśnieniu co sprzyja porowatości w wewnętrznych obszarach odlewów [5].

3 JAKOŚĆ PRECYZYJNYCH ODLEWÓW TYTANOWYCH 3.1. Wprowadzenie Jakość precyzyjnych odlewów z tytanu i jego stopów określa skład chemiczny, struktura, grubość i mikrotwardość warstwy wadliwej, struktura odlewu, własności mechaniczne, chropowatość powierzchni, tolerancje wymiarowe. W badaniach prowadzonych na przykładzie odlewów wykonywanych ze stopu Ti6Al4V oceniono wszystkie w/w parametry. W przedstawionej pracy przede wszystkim ze względów redakcyjnych ograniczono się do opisania zdaniem autorów najistotniejszych czynników decydujących o jakości odlewów Warstwa wadliwa a (a- case) Powszechnie uznano, że warstwa wadliwa a jest czynnikiem który w sposób zasadniczy wpływa na jakość odlewu precyzyjnego. Jej usunięcie wymaga uwzględnienia w technologii określonych naddatków pozwalających na otrzymanie założonych wymiarów odlewów (warstwę a usuwa się chemicznie lub mechanicznie). Warstwę wadliwą a określa się przez: badania strukturalne w obszarze powierzchni odlewu, pomiar grubości, pomiar mikrotwardości. Warstwa wadliwa a charakteryzuje się wyraźną zmianą struktury oraz gwałtownym wzrostem twardości w stosunku do wnętrza odlewu. Na rysunku l przedstawiono strukturę w obszarze powierzchni odlewu (mikroskop Zeiss Neophot). Rys. l. Struktura warstwy wadliwej odlewu zgład trawiony odczynnikiem Kroiła, pow. 250x Fig. l. The structure ofthe defective layer in investment casting; metallographic specimen etched by Krall reagent, 250x.

4 142 W tablicy l podano zmiany mikrotwardości (mikrotwardościomierz Vickersa). w obszarze powierzchniowym odlewu Przedstawione wyniki badań struktury oraz mikrotwardości w sposób jednoznaczny określają wielko ś ć warstwy wadliwej a w odlewach tytanowych. Tablica l. Wynki badań rozkładu mikrotw ardośc i w obszarze powierzchni odlewu Table l. Measurement results o f microhardness distribution over the casting surface area L p Odległość od Mikrotwardość HV powierzchni odlewu, 0,05 mm l 0, , , , , , , , , Badania składu chemicznego wtrąceń w warstwie powierzch niowej odlewu Na skutek zjawisk zachodzących na granicy: ciekły metal - forma odlewnicza w warstwie powierzchniowej odlewu występują wtrącenia. Badania prowadzono metodą mikroanalizy rentgenowskiej EDS za pomocą systemu LINK -ISIS 300 zintegrowanego z mikroskopem skaningowym STEREOSCAN 420. Badania prowadzono na powierzchni surowej odlewu i w odległości x mm i y mm od tej powierzchni [2]. Wyniki badań wykonanych na powierzchni surowej wykazały, że występujące tam wtrącenia charakteryzują się zróżnicowaną morfologią i składem chemicznym (rys. 2); na ogół s ą to wtrącenia wieloskładnikowe zawierające takie pierwiastki jak: Al., Si, Na, Ca, K, O, C, Ti, Fe.

5 143 Rys. 2. Typowa morfologia wtrąceń, SEM, pow. 150x Fig. 2. Typical morphology ofinclusions, SEM, 150x Wyniki oznaczeń składu chemicznego na przekrojach x i y od powierzchni surowej przedstawiono na rys. 3. Ich analiza wskazuje wyraźnie, że w miarę wzrostu odległości od powierzchni surowej odlewu maleje ilość wtrąceń (złożone tlenki, krzemiany, gliniany) [l. [J,11 Mg Al. S i K Ca V Rys. 3. Porównanie ś redniej zawartości wybranych pierwiastków w przekrojach x. i y Fig. 3. Average eontent ofsome selected elements compared on sections x and y 3.4. Chropowatość powierzchni odlewów Profil powierzchni odlewu opisuje jego chropowatość poprzez parametry R., R.,; określa ona również odwzorowanie odlewu w stosunku do modelu wyjściowego a po-

6 144 średnio świadczy o zjawiskach zachodzących na granicy faz. Badania prowadzono na nowoczesnym profilografie F500 Hommelwerke GmbH współpracującym z komputerem, co pozwala na graficzne przedstawienie chropowatości i wyznaczenie jej podstawowych parametrów. Badania prowadzono na różnych powierzchniach odlewów o zmiennych grubościach ścianki; przykładowe średnie wyniki przedstawiono w tablicy 2. Tablica 2. Parametry chropowatości precyzyjnych odlewów t}1anowych Table 2. Roughness parameters for investment titanium castings Parametry chro- powatości, Grubość ścianki odlewu, mm śr., ~m 3,0 6,0 10,0 15,0 25,0 R. 2,95 3,20 3,52 4,10 4,24 R, 22,10 26,15 29,19 31,31 32,50 Wyniki pomiarów potwierdzają, że w każdym przypadku uzyskuje się klasę chropowatości N7 - N8 wg ISO 2632/ Struktura tworzywa metalowego Strukturę tworzywa metalowego odlewów precyzyjnych ze stopu Ti6AI4V określono przy pomocy mikroskopu Zeiss Neophot (z fotograficzną rejestracją obrazu). Przykład mikrostruktury w/w stopu w stanie lanym przedstawia rys. 3; widoczna struktura stopu dwufazowego a.+ ~ (faza~ nie zabarwiona). Rys. 4. Struktura stopu Ti6AI4Y w stanie lanym, zgład trawiony odczynnikiem Kroiła, pow. 500x Fig. 4: As-cast structure ofti6ai4v aiłoy; metallographic specimen etched by Kroił reagent; 500x

7 Właściwości mechaniczne Ze względu na występującą porowatość odlewów tytanowych, konieczna jest ocena właściwości mechanicznych. W prowadzonych badaniach pobierano próbki do badań z różnych ustalonych obszarów odlewów, co pozwoliło dodatkowo na ocenę rozkładu porowatości w odlewie (różne wartości wyznaczonych parametrów). Badania prowadzono statyczną metodą rozciągania w temperaturze pokojowej oraz na zmodyfikowanej próbce niskocykłowej. Wykorzystując do tych celów maszyna wytrzymałościowa typ PSB l 00 firmy SCHENK. Przykładowe wartości średnie z pomiarów podstawowych wielkości przedstawiały się następująco : Rm = 920 MPa, Ro. 2 = 81 O MPa, A = 9,2%, Z = 20,2%, E = MPa. Pomiary na próbkach pobranych w różnych obszarach odlewu wykazują rozrzuty wartości nie przekraczające ± 2% 4. WNIOSKI Opracowana w Instytucie Odlewnictwa technologia odlewania precyzyjnego tytanu i jego stopów pozwała na otrzymanie odlewów ustalonej jakości. Ze względu na przebieg procesu technologicznego, stopień jego skomplikowania oraz występujące w trakcie realizacji problemy natury technicznej, koniecznym było opracowanie kryterium jakości pozwalające na ocenę uzyskanego produktu (odlewu). W wyniku prowadzonych prób i badań ustalono, że podstawowymi parametrami oceny jakości odlewów tytanowych są właściwości: tworzywa metalowego (mikrostruktura, właściwości mechaniczne), warstwy wadliwej (a - case), określone przez mikrostrukturę, mikrotwardość, ilość wtrąceń niemetalicznych i chropowatość powierzchni. Jakość odlewów wytworzonych w Instytucie Odlewnictwa odpowiada klasie średniej odlewów wytwarzanych w krajach wysoko-uprzemysłowionych. LITERATURA [l] Piekło J., Stachańczyk J. - Modełowanie numeryczne zjawisk fizykochemicznych zmian stężenia tlenu w warstwie powierzchniowej odlewu tytanowego endoprotezy stawu biodrowego w czasie krzepnięcia - Biuletyn Instytutu Odlewnictwa nr 3/1999 w druku [2] Warmuzek M., Stachańczyk J. - Analiza składu chemicznego wtrąceń w strefach przypowierzchniowych odlewów z stopu tytanu - III Międzynarodowa Konferencja "Jakość odlewów 99"- Podbanske, Słowacja, maj 99 r.

8 146 [3] Pysz J., Turzyński J., Stachańczyk J., Lenow N.N. - Symulacja komputerowa w technologii odlewania precyzyjnego tytanu -VI Ogólnopolskie Sympozjum "Tytan i jego stopy" - Karpacz 5-7 maj 1999 r. [4] Pysz J., Turzyński J., Stachańczyk J., Ilin A.N.- Zastosowanie symulacji komputerowej w technologii odlewania precyzyjnego tytanu - III Międzynarodowa Konferencja "Jakość odlewów 99" - Podbanske, Słowacja, maj 1999 r. [5] Piwonka T.S.- Reaction at the mould- metal interface in investment casting - 23 ed European Conference on Investment Casting- Praha 1994 r. Recenzował: Andrzej Białobrzeski