SEGREGACJA STOPU AG351 PRZEZNACZONEGO NA WZORCE SPEKTROMETRYCZNE

Transkrypt

1 8/9 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 006, Rocznik 6, Nr 9 Archives of Foundry Year 006, Volume 6, Book 9 PAN - Katowice PL ISSN SEGREGACJA STOPU AG5 PRZEZNACZONEGO NA WZORCE SPEKTROMETRYCZNE M. STAWARZ, C. BARON, J. GAWROŃSKI, J. SZAJNAR 4 Zakład Odlewnictwa, Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika Śląska ul. Towarowa 7, Gliwice STRESZCZENIE Istotną cechą wzorców spektrometrycznych jest ich jednorodność chemiczna. Jednym ze sposobów poprawy jednorodności składu chemicznego i strukturalnego odlewów może być zastosowanie podczas jego krystalizacji wymuszonej konwekcji. W przeprowadzonych badaniach do wytwarzania wymuszonego ruchu ciekłego metalu w formie zastosowano pole magnetyczne. Badania przeprowadzono na stopie Ag -Cu- Zn-Cd-Ni. Key words: rotating reversing magnetic field, alloy segregation, AG5 solder. WSTĘP Segregacja dodatków stopowych występująca w odlewach jest zjawiskiem niepożądanym, które znacząco obniża własności użytkowe odlewu. Dlatego działania mające na celu zapobieganie segregacji są pożądane ze względów ekonomicznych, wytrzymałościowych i strukturalnych. Zabiegi mające na celu zmniejszenie lub całkowite usunięcie segregacji to m.in.: - modyfikacja, - unikanie, kiedy jest to możliwe pierwiastków o dużych skłonnościach do segreg a- cji, dr inż., marcin.stawarz@polsl.pl mgr inż., czeslaw.baron@polsl.pl prof. dr inż., jozef.gawronski@polsl.pl 4 dr hab. inż., jan.szajnar@polsl.pl 0

2 - zastosowanie odpowiednio dużej szybkość chłodzenia, - stosowanie odpowiedniej szybkości zalewania w zależności od rodzaju formy, - stosowanie wibracji, - zastosowanie pola magnetycznego. Na jakość odlewów w znaczny sposób wpływa jego struktura pierwotna, która powstaje w procesie krystalizacji i krzepnięcia. Tworzenie się struktury pierwotnej odlewu uwarunkowane jest własnościami fizykochemicznymi metalu i formy oraz p a- rametrami technologicznymi czysto odlewniczymi, a także oddziaływaniem zewnętrznych czynników fizycznych, takich jak wirujące rewersyjne pole magnetyczne wywołujące ruch ciekłego metalu w czasie krzepnięcia. Drobnokrystaliczna struktura odlewu stanowi często przyczynę zmniejszenia segregacji składników stopowych. Pole magn e- tyczne oddziałując na krzepnący w formie odlew wywołuje zmiany w procesie krystalizacji, których efektem jest właśnie rozdrobnienie struktury i jej ujednorodnienie []. Stosowanie wirującego rewersyjnego pola magnetycznego do wymuszenia ruchu ciekłego metalu w czasie krystalizacji powoduje szereg korzystnych zmian w odlewach szczególnie ze stopów wieloskładnikowych [-4].. CEL BADAŃ Celem przeprowadzonych badań było wykonanie wzorców spektrometryc z- nych z wieloskładnikowego stopu lutowniczego AG 5 (wg PN-EN 044), od których wymaga się bardzo dużej jednorodności składu chemicznego. W tym celu zastosowano wirujące rewersyjne pole magnetyczne, które oddziałując na krzepnący odlew powinno zmniejszać segregację składników stopowych. Stop ten posiada odpowiednik o symbolu BAg-, który jest znormalizowany wg AWS-ASTM. Orientacyjny skład chemiczny stopu użytego w badaniach przedstawiono w tabeli. Tabela. Skład chemiczny stopu AG 5 Table. Chemical composition of AG 5 alloy Ag, % Cu, % Zn, % Cd, % Ni, % ,5-6,5,5-7,5 5-7,5-,5 Stop ten używany jest jako lut twardy. Luty twarde są to luty o temperaturze topienia przekraczającej 450 o C. Spoiwa na bazie Ag-Cu-Zn-Cd charakteryzują się bardzo dobrą przewodnością elektryczną, znalazły więc szerokie zastosowanie w elektrotechnice. Cynk i kadm powodują znaczne obniżenie temperatury topnienia lutów oraz - co nie jest bez znaczenia obniżenie ceny. Dodatkowo kadm zwiększa plastyczność i rzadkopłynność lutów. Dodatek niklu w ilości,5,5% zwiększa wytrzymałość i plastyczność stopów oraz podwyższa maksymalną, dopus zczalną temperaturę pracy lutowanych detali. Spoiwa typu AG 5, znalazły zastosowanie głównie do lutowania materiałów zawierających węgliki wolframu [5]. 0

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA. ZAKRES BADAŃ Przeprowadzone badania polegały na wykonaniu wlewków wzorcowych bez oddziaływania pola magnetycznego oraz z działaniem wirującego rewersyjnego pola magnetycznego (WRPM), a następnie analizie stopnia segregacji. Zakres przeprowadzonych badań obejmował: - odlanie próbki wzorcowej bez udziału WRPM (wytop ), - odlanie próbek przy zastosowaniu wirującego rewersyjnego pola magnetycznego o różnych parametrach pola magnetycznego parametry WRPM (wytop : wartość indukcji magnetycznej B =,5 mt, częstotliwość rewersji wirowania pola magn e- tycznego f r =,8Hz, wytop : B = 45 mt, f r = Hz), - analizie stopnia segregacji składników stopowych, - opracowanie wyników badań. Pole magnetyczne, generujące ruch ciekłego metalu, było wytworzone przez induktor o odpowiednim uzwojeniu trójfazowym szczegółowo opisanym w pracy []. 4. WYNIKI BADAŃ I ICH PODSUMOWANIE Pomiary stężenia pierwiastków stopowych przeprowadzono przy użyciu spektrometru ZSX Primus firmy RIGAKU. Wyniki badań przedstawiono w tabeli oraz na rysunkach: (rys. -wytop ) i (rys. i 4 odpowiednio wytop i ). Na podstawie przeprowadzonych badań wykonanych dla próbek bez oddziaływania WRPM (wytop ) zaobserwowano duże różnice udziału pierwiastków, co jest spowodowane występowaniem w nich dużego stopnia segregacji. Schematycznie miejsca pomiarów stężenia pierwiastków przedstawiono na rysunku. 9 9 a) b) 4 Rys.. Płaszczyzny pomiaru 4 : a) odlew bez WRPM, b) odlew z WRPM Fig.. Planes of measurement 4: a) cast without RRMF, b) cast with RRMF 0

4 Płaszczyzna pomiarowa Tabela. Skład chemiczny stopu lutowniczego AG 5 Table. Chemical analyses of AG 5 solder WYTOP Płaszczyzna Ag, % Cu, % Zn, % Cd, % Ni, % 49,9,6 7,5 7,,4 49,9,44 7,46 6,9,59 49,9,44 7,46 6,9,59 49,8,48 7,5 6,88,5 49,8,48 7,5 6,88,5 49,65,5 7,5 7,,67 WYTOP Płaszczyzna Ag, % Cu, % Zn, % Cd, % Ni, % 48,5 4,85 7,48 6,46,4 47,694 5,7 7,685 6,06,45 49,09 4,08 7,46 6,47,947 49,069 4,048 7,5 6,57,996 48,994 4,069 7,547 6,66,04 48,57 4,6 7,8 6,4, ,468,86 7,6 6,56, ,67 4,4 7,68 6,64,76 WYTOP Płaszczyzna Ag, % Cu, % Zn, % Cd, % Ni, % 47,7 4,998 7,968 5,79,584 48,06 4,977 7,76 5,8,44 48,58 4,68 7,7 5,98,40 48,98 4,45 7,585 6,09, 48,96 4,8 7,506 6,06,86 49,75 4, 7, 6,9, ,869 5,94 7,65 5,98, ,986 5,66 7,546 6,05,87 0,0 0,08 0,08 0,04 0,04 0,06 0,05 0,7 0, 0,8 0, 0,4 0, 0,8 0,7 Wytop Ag Cu Zn Cd Ni 0 0,05 0, 0,5 0, 0,5 0, 0,5 Różnice stężenia pierwiastków, % Rys.. Stopień segregacji - odlew numer Fig.. Degree of segregation for number casting 04

5 różnice stężenia, % Płaszczyzna pomiarowa Płaszczyzna pomiarowa ARCHIWUM ODLEWNICTWA 4 0,04 0,0 0,067 0,06 0,049 0,04 0, 0,8 0,9 0,74 0, 0,4 0,55 0,8 0,44 0,98 0,40 0,477 0,5 0,8 0 0, 0,4 0,6 0,8 Różnice stężenia pierwiastków, % Rys.. Stopień segregacji w odlewach z wytopów nr i Fig.. Degree of segregation for number and castings 0,05 0,0 0,08 0,094 0,7 Wytop Wytop 4 0,05 0,68 0,0 0,05 0,007 0,079 0,077 0,06 0,0 0,74 0,47 0,50 0,609 Ag Cu Zn Cd,06, ,5,5 Różnice stężenia pierwiastków, % Ni 0,6 0,5 0,4 0, 0, 0, 0 z WRPM 65mT z WRPM 40mT odlew y bez pola Ag Cu Zn Cd Ni Rys. 4. Różnice w stężeniu pierwiastków stopowych w zależności od sposobu odlewania Fig. 4. Difference in concentration of alloy additions depending on casting method Na podstawie przeprowadzonych badań i uzyskanych wyników nie potwie r- dzono całkowicie pozytywnego wpływu wirującego rewersyjnego pola magnetycznego (WRPM) na zmniejszenie segregacji pierwiastków w badanym stopie AG 5. Wprawdzie zróżnicowanie stężenia Zn nieco zmniejszyło się w odlewach wykonanych pod wpływem pola magnetycznego, a zmiany stężenia Cd zostały na podobnym poziomie jak w odlewach wykonanych bez oddziaływania WRPM, to jednak pozostałe pierwias t- ki stopowe (Ag, Cu, Ni) uległy większej segregacji. Przedstawione wyniki pokazują 05

6 ponadto tendencję, że przy wzroście wartości indukcji pola magnetycznego można osiągnąć mniejszy stopień segregacji składników stopowych. Dalsze zwiększenie efektywności oddziaływania WRPM wymaga zastosowania induktora wytwarzającego pole magnetyczne o większej wartości indukcji B. Pozwoli to na wygenerowanie większych sił magnetohydrodynamicznych powodujących inte n- sywniejsze mieszanie ciekłego metalu w czasie krystalizacji i tym samym zmniejszeniu stopnia segregacji odlewów wykonywanych w wirującym rewersyjnym polu magn e- tycznym. LITERATURA [] J. Szajnar: Transformacja struktury kolumnowej w równoosiową przy krzepnięciu odlewów z wymuszoną konwekcją wirującym polem magnetycznym. Zeszyty Naukowe Mechanika, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice (00). [] J. Szajnar, J. Gawroński: Oddziaływanie pola magnetycznego na transformację struktury kolumnowej odlewów, Przegląd Odlewnictwa, t. 55, nr 4, (005), -4. [] B. Ganapathysubramanian, N. Zabaras: Using magnetic field gradients to control the directional solidification of alloys and the growth of single crystals. J. of Crystal Growth 70 (004), [4] T. Wyszyński: Segregacja dodatków stopowych w odlewach wykonywanych w wirującym polu magnetycznym. Praca dyplomowa, Politechnika Śląska IMIiB, Zakład Odlewnictwa, Gliwice (005). [5] T. Radomski, A. Ciszewski: Lutowanie. WNT, Warszawa (979). SEGREGATION IN AG 5 ALLOY FOR SPECTROMETER STANDARDS SUMMARY Very important feature of spectrometric standard samples is their chemical homogeneity. One of the way to improve chemical and structural homogeneity is application of forced convection during solidification of the casting. In presented studies forced convection was obtained by use of electromagnetic field. In the studies alloy ingots were poured with and without rotating reversing magnetic field and then the chemical composition on different surfaces was examined showing the degree of segregation. Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Ferdynand Romankiewicz 06