KRYSTALIZACJA, STRUKTURA ORAZ WŁAŚCIWOŚCI TECHNOLOGICZNE STOPÓW I KOMPOZYTÓW ALUMINIOWYCH

Transkrypt

1 14/9 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 9 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 9 PAN Katowice PL ISSN KRYSTALIZACJA, STRUKTURA ORAZ WŁAŚCIWOŚCI TECHNOLOGICZNE STOPÓW I KOMPOZYTÓW ALUMINIOWYCH STRESZCZENIE M. DUDYK 1, K. KOSIBÓR 2 Akademia Techniczno Humanistyczna ul. Willowa 2, Bielsko Biała W artykule przedstawiono oryginalne wyniki badań procesów krystalizacji oraz zabiegów uszlachetniania struktury, na zmiany właściwości technologicznych stopu AK9 i kompozytów sporządzonych na jego bazie. Badania właściwości technologicznych dotyczą między innymi skurczu odlewniczego występującego w czasie krystalizacji stopów odlewniczych, wpływu różnej zawartości cząstki zbrojącej Al 2 O 3 na zmiany skrawalności, zdolności do iskrzenia i porowatości. Otrzymane krzywe krystalizacji według metody ATD-AED wykazały, że kompozyt AK9 +5% Al 2 O 3 krzepnie jak stop jednofazowy.stwierdzono, że na wielkość zmian dl próbki z siluminu AK9 podczas jego skurczu ma zasadniczy wpływ odpowiednio uszlachetniona faza i eutektyka +Si. W dalszej części badań wykazano, że 10-cio procentowy dodatek Al 2 O 3 jako cząstki zbrojącej, poprawił skrawalność i obniżył zdolność do iskrzenia udarowego badanych kompozytów. Wykazano również, że wzrost stopnia zagazowania i porowatości kompozytów, w porównaniu z osnową (AK9) spowodowany jest wprowadzeniem cząstki zbrojącej Al 2 O 3. Key words: crystallization, aluminum alloy, ATD-AED 1. WSTĘP Wysokie wymagania wytrzymałościowe stawiane odlewanym częścią maszyn, stwarzają również konieczność spełnienia odpowiednio wysokich właściwości 1 dr inż., mdudyk@ath.bielsko.pl 2 mgr inż., kkosibor@ath.bielsko.pl

2 102 technologicznych. Na odlewane części maszyn coraz częściej stosuje się oprócz popularnych stopów żelaza (żeliwo, staliwo) również stopy aluminium najchętniej siluminy. Siluminy odpowiednio uszlachetnione (rafinacja, modyfikacja, filtracja, itp.) charakteryzują się wysokimi właściwościami mechanicznymi i technologicznymi [1,2]. Siluminy umożliwiają uzyskiwanie nowych właściwości materiałowych, dzięki otrzymywaniu na ich bazie odpowiednich materiałów kompozytowych [3,4]. Odlewane materiały kompozytowe należą do szybko rozwijających się tworzyw w obszarze badawczym i coraz częściej stosowanych w przemyśle samochodowym, lotniczym i maszynowym [5]. W technologii wytwarzania odlewanych częś ci maszyn stosuje się różne gatunki stopów aluminium. Przeprowadzone dla nich odpowiednie zabiegi uszlachetniające i zastosowane sposoby odlewania forma piaskowa lub kokila powodują zmiany w procesach krystalizacji, a w związku z tym również zmiany w strukturze otrzymanego odlewu [6,7]. Otrzymany rodzaj struktury ma między innymi decydujący wpływ nie tylko na właściwości mechaniczne, ale również bardzo znacząco zmienia właściwości technologiczne otrzymanego odlewu [8]. W artykule przedstawiono wyniki badań procesów krystalizacji, otrzymanej struktury oraz właściwości technologicznych skurczu, skrawalności, iskrzenia stopów i kompozytów aluminiowych. 2. METODYKA BADAŃ I WYNIKI Badania procesu krystalizacji i skurczu w czasie krystalizacji i stygnięcia, wykonano na stopie AK9 (AlSi9Mg) z przetwórstwa hutniczego po rafinacji i modyfikacji strontem. Natomiast badania procesu krystalizacji i badania technologiczne wykonano na kompozycie AK9+Al 2 O 3 sporządzonym na bazie siluminu AK9 po rafinacji [4]. Zapis graficzny procesu krystalizacji stopu AK9 odlewanego do formy piaskowej metodą ATD-AED przedstawiono na rysunku 1.

3 103 Rys. 1. Krzywe krystalizacji rafinowanego stopu AK9 Fig. 1. The curves of crystallization of the refined alloy AK9 Z odlanych próbek badanego stopu AK9 wykonano mikrostruktury i zamieszczono na rysunku 2. a) b) Rys. 2. Mikrostruktury stopu AK9 odlewanego do formy piaskowej: a stop rafinowany, b stop modyfikowany Sr Fig. 2. Microstructures of the AK9 alloy casted to the sand form: a-refined alloy; b-alloy modificated by Sr Jednocześnie z przeprowadzoną analizą procesu krystalizacji metodą ATD- AED wykonano badania skurczu w czasie krystalizacji i stygnięcia stopu AK9 [8,9]. Schemat dylatometru odlewniczego, na którym wykonano badania skurczu odlewniczego przedstawiono na rysunku 3. Zarejestrowane zmiany długości dl próbek podczas krystalizacji i stygnięcia zamieszczono na rysunku 4.

4 Temperatura próbki [ C] Temperatura próbki [ C] 104 Rys. 3. Schemat dylatometru odlewniczego [9] Fig. 3. The shedule of casting dillatometr a) ,1-0,08-0,06-0,04-0,02 0 0,02 0,04 0,06 dlpróbki [mm] dlpróbki [mm] Rys. 4. Zmiany dl próbki w czasie krystalizacji i stygnięcia stopu AK9: a stop rafinowany, b stop modyfikowany Sr Fig. 4. The changes of the samples dl in the time of crystalization and soldification of the AK9 alloy: a-refined alloy ; b- alloy modificated by Sr.

5 105 W następnym etapie badań sporządzono kompozyt na bazie rafinowanego stopu AK9. Kompozyt wykonano metodą in vitro. Do ciekłego stopu AK9 (osnowy) wprowadzono cząstkę zbrojącą Al 2 O 3 w ilości 5% i 10% masy wsadu. Dla porównania zmian procesów krystalizacji osnowy siluminu AK9 i kompozytu AK9+5% Al 2 O 3 wykonano zapisy graficzne metodą ATD-AED i przedstawiono na rysunku 5. a) b) Rys. 5. Krzywe krystalizacji otrzymane metodą ATD-AED: a siluminu AK9 (osnowa), b kompozyt AK9+5% Al 2 O 3 Fig. 5. The curves of crystalization recieved with the ATD-AED method:the AK9 silumine (matrix); b-composite AK9 + 5%Al 2 O 3

6 106 Wykonane badania właściwości technologicznych: skrawalności, zdolności do iskrzenia i porowatości wykazały znaczne różnice w otrzymanych wynikach siluminu AK9 (osnowy) i sporządzonym na jego bazie kompozycie aluminiowym AK9+5% Al 2 O 3. Otrzymane wyniki właściwości technologicznych przedstawiono na rysunkach 6-8. Rys. 6. Skrawalność siluminu i sporządzonych kompozytów Fig. 6. Machining of the silumine and made composites a) b) c) Rys. 7. Charakter iskrzenia siluminu i kompozytów: a- stop AK9, b kompozyt AK9+5% Al 2 O 3, c kompozyt AK9+10% Al 2 O 3 Fig. 7. The characterisctic of the silumines and composites scintillation: a- alloy AK9, b- composite AK9 + 5%Al 2 O 3 ; c- AK9 + 10%Al 2 O 3

7 107 a) b) c) Rys. 8. Porowatość próbek otrzymanych z gazymetru siluminu i kompozytów: a stop AK9, b kompozyt AK9+5% Al 2 O 3, c kompozyt AK9+10% Al 2 O 3 Fig. 8. The porosity of samples received from the casting gassometr, from the silumine and composites: a- alloy AK9 ; b- composite AK9 + 5%Al 2 O 3 ; c- AK9 + 10%Al 2 O 3 3. PODSUMOWANIE Zastosowany w badaniach sposób odlewania forma piaskowa lub kokila w bardzo znaczący sposób zmienia kinetykę krystalizacji stopu AK9. Zarejestrowany zapis graficzny metody ATD - AED, w postaci krzywych termicznych t oraz elektrycznych i ich pochodnych w funkcji czasu, umożliwił dokładne przedstawienie krystalizacji poszczególnych faz, tworzących strukturę odlewu. Zamieszczone na rysunku 5b krzywe krystalizacji kompozytu AK9+5%Al 2 O 3 wykonanego na bazie siluminu AK9 wskazują, że krystalizuje on jak stop jednofazowy. Otrzymane oryginalne wyniki badania skurczu na dylatometrze odlewniczym dla stopu AK9 po modyfikacji strontem wykazały znaczny wzrost dl próbki wówczas, gdy krystalizuje faza, a dla rafinowanego stopu AK9 gdy krystalizuje eutektyka +Si (rys. 4). Przedstawione badania skrawalności kompozytów aluminiowych wykazały, że zależą one od ilości dodanej cząstki zbrojącej Al 2 O 3. Stwierdzono, że dodatek 10% Al 2 O 3 poprawił skrawalność otrzymanego kompozytu nawet w porównaniu ze stopem AK9 wykorzystanym jako osnowa badanych kompozytów (rys. 6). Podobny wpływ jak dla skrawalności wykazuje 10% dodatek cząstki zbrojącej na zdolność do iskrzenia udarowego badanych kompozytów. Stwierdzono, że kompozyt AK9+10% Al 2 O 3 charakteryzuje się mniejszą zdolnością do iskrzenia małe i zimne jądro iskry (rys. 7c). Wprowadzenie do osnowy AK9 5% i 10% dodatku cząstki zbrojącej (Al 2 O 3 ) spowodowało w bardzo znacznym stopniu zagazowanie i wzrost porowatości otrzymanych kompozytów (rys. 8 b, c).

8 108 LITERATURA [1] Wasilewski P.: Siluminy modyfikacja i jej wpływ na strukturę i właściwości. Monografia. Krzepnięcie Metali i Stopów, z 21 PAN. Katowice [2] Dudyk M., Wasilewski P.: Wpływ procesu filtracji na właściwości mechaniczne i technologiczne siluminów. Metale Nieżelazne w Przemyśle Okrętowym. PAN Poznań i WSzM. Szczecin [3] Białobrzeski A., Dudyk M., Kosibór K.: Krystalizacja kompozytów aluminiowych zbrojonych SiC. Kompozyty 2 (2002) 5. Wyd. Politechniki Częstochowskiej. [4] Dudyk M., Kosibór K.: Krystalizacja kompozytów aluminiowych. Archiwum Odlewnictwa Nr 1 (2/2). PAN, Katowice [5] Sobczak J,: Kompozyty metalowe. Instytut Odlewnictwa i Instytut Transportu Samochodowego. Kraków - Warszawa [6] Braszczyński J.: Krystalizacja odlewów. WNT Warszawa 1991 [7] Fraś E.: Krystalizacja metali. WNT Warszawa [8] Dudyk M.: Przewodność elektryczna właściwa w procesach krystalizacji siluminów. ZN Filii Politechniki Łódzkiej w Bielsku Białej. Z 38. Bielsko Biała. [9] Jura S., Studnicki A., Kilarski J., Jura Z.: Skurcz termiczny żeliwa chromowego. Archiwum Odlewnictwa. Rocznik 2 Nr 4. PAN Katowice CRYSTALLIZATION, STRUCTURE AND TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF THE ALUMINUM ALLOYS AND COMPOSITES SUMMARY The article presents original results of the examination of crystallization process and treatment for improving the structure against technological changes of properties of the AK9 alloy and composites created on it s bases. Analysis of technological properties include, among others, casting shrinkage occurring while crystallization of the founding alloys, influence of different contents of the Al 2 O 3 reinforcing particle on the changes of machining, ability to scintillate and porosity. The received curves of crystallization (accordin to the ATD-AED method) showed that the AK9 + 5% Al 2 O 3 composite soldifies like a one-phase alloy. It was stated that, the size of changes of the dl sample of AK9 silumine during it s shrinkage, the greatest influence has a properly-shaped improved phase and the eutectic +Si. In the following part of the analysis was showed that 10% adding of the Al 2 O 3 as a reinforcing particle improved machining and lowered the ability of percussive scintillation of the examined composites. It was also proved that the growth of the gassy level and porosity of the composites in comparison to the matrix (AK9) results from including the Al 2 O 3 reinforcing particle. Recenzował Prof. Józef Gawroński