ANKUDOWICZ Bohdan, GRZEGORZEWICZ Tadeusz, MOLL Robert, PfETRASZKO Donata

Transkrypt

1 22/11 Soidiication of Meta.s :md Aoys, No 22, 1995 Krzepniecie Metai i Stopów, Nr 22, 1995 PAN - Oddział Katowice PL ISSN MODYFIKUJĄCE DZIAŁANIE CYRKONU NA BRĄZY ALUMINIOWO-KRZEMOWE ANKUDOWICZ Bohdan, GRZEGORZEWICZ Tadeusz, MOLL Robert, PfETRASZKO Donata Wydział Mechaniczny, Poitecmika Wrocławska Wrocław, ui.łukasiewicza 7, POLAND ABSTRAKT Przedstawiono wyniki badań struktury i niektórych własności mechanicznych br~w auminiowokrzemowych z dodatkami i bez dodatków żeaza, modyfikowanych cyrkonem. Modyfikujące działanie cyrkonu stwierdzono tyko w brązie zawierającym dodatek że aza. Brąz ten wykazuje również wyższe własności wytrzymałościowe.. WSTĘP Oszczędnościowe brązy auminiowo-krzemowe, w których nikie całkowicie ub częściowo zastąpiono krzemem, znaazły praktyczne zastosowanie w przemyśe i są ujęte przez normy w niektórych krajach. Zastąpienie niku w brązach ałw11iruowych krzemem pozwaa na uzyskanie znacznych efektów ekonomicznych ponieważ pierwiastek ten jest bardziej dostępny i wieokrotnie tańszy niż nikie. Dodatkową zaetą brązów auminiowo-krzemowych są dobre własności śizgowe [11. Natomiast ich poważną wadą, ograniczającą ich szerokie zastosowanie w przemyśe, jest s kłonność do gruboziarnistości w przypadku niew łaśc iwie dobranego stoswku auminium do krzemu [2]. Na podstawie badań Wisona [3], które doprowadziły do opracowania wykresu równowagi układu Cu-AI-Si - rys. I oraz niektórych wyników prac Turkina i Tiemofiejewej 14]. Przystupiński [5] przeprowadził pełne badania wpływu obróbki ciepnej na zmiany struktury i własności stopów potrójnych Cu-A-Si bogatych w miedź. Badaniom wpływu żeaza na własnośc i brązów auminiowo-krzemowych poświęcono dotąd mniej uwagi. Turkin i Fiedorowa [6] przeprowadzii badania struktury i własności mechanicznych brązów zawierających.5%ai i 6%Fe oraz dodatki krzemu od 0.25% do 4%. W badaniach przeprowadzonych przez Małeewa [7] obserwowano efekt rozdrobnienia ziarna w brązach auminiowych po dodaniu niewiekich iości ( %) woframu. wanadu, tytanu, boru i cyrkonu. Intensywne rozdrobnienie ziarna przez te dodatki stwierdzono w stopach zawierających żeazo chociażby w niewiekich iościach %. Dodatni wpływ żeaza na proces modyfikowania twnacwno tym, że w jego obecności tworzą się cząstki związków typu awniniwn-modyfikator-żełazo, które posiadają wyższą temperaturę krystaizacji niż związek dwuskładnikowy auminium-modyfikator. Krystaizując jako pierwsze związki te spełniają roę zarodków krystaizacji.

2 95 Ceem pracy było zbadanie modyfikującego działania cyrkonu na strukturę i niektóre własności mechaniczne stopów Cu-A-Si oraz Cu-A-Si-Fe. Badania wykonano na stopach w stanie równowagi, jak też po hartowaniu i różnych sposobach odpuszczania. %ciężar A Rys. Przekrój izotermiczny w &73K układu Cu-A-Si [51. 87~K isothcrma section through Cu-AI-Si phase diagram [5]. 2. BADANIA WŁASNE 2.1. Materia i metodyka badań W ceu przeprowadzenia badań wykonano dwa stopy, których skład chemiczny zestawiono w tabei. Stopy te wykonano z miedzi eektroitycznej Cu 99.95, auminiurn rafmowanego 99.90, krzemu metaicznego 99, żeaza ARMCO E04A i cyrkonu dodawanego w postaci 30% stopu wstępnego z miedzią e ektroityczną. Wytopy wykonano w piecu indukcyjnym IMSL-1 O firmy VEB, w tygu!,>tafitowym. Modyfikator, w postaci stopu wstępnego, wprowadzano do stopu bezpośrednio przed odaniem, po uprzednim usunięciu żuża. Stopy odano do kokii żeiwnej, Tabea Skład chemiczny badanych brązów Nr Oznaczenie Z awartość w % ci1 żarowych brązu brązu A S i Fe Zr C u CuAJ9.2Si 1.5Zr reszta 2 CuA19.5Si. 92Fe3.5Zr reszta sposobem zbiżonym do metody Durvia. Po odaniu wewki, o masie około kg, ujednorodniano i przewacowano na taśmy o grubośc i 1.5mm. Z otrzymanych taśm wykonano płaskie próbki do badań wytrzymałościowych, przy czym, każda próbka miała specjanie przedłużoną część uchwytową, którą odcinano po obróbce ciepnej z przeznaczeniem do badań mikroskopowych, rentgenowskich i pomiarów twardości. Próbki badano zarówno w stanie wyżarzonym jak i po hartowaniu i odpuszczaniu z temperatur od 523 do 873K, ze stopniowaniem co 50 K. Czas odpuszczania wynosił 120 minut. Po odpuszczaniu próbki chłodzono w wodzie. Na tak przygotowanych próbkach wykonano: - badania mikroskopowe za pomocą mikroskopu świetnego i eektronowego TESLA BS-540,

3 96 - pomiary twardości metodą Yickersa przy obciążeniu 294N, - badania wytrzymałościowe w próbie statycznego rozciągan i a, stosując próbki płaskie o przekroju.5x Omm i długości pomiarowej 25mm, - badania rentgenograficzne na dyfraktometrze rentgenowskim URD Wyniki badań i ich anaiza Wyniki badań rentgenograficznych Z przeprowadzonych badai1 rentgenograficznych wynika, że uzyskane eksperymentanie wartości odjegłości międzypłaszczyznowych różnią się tyko nieznacznie od teoretycznych, obiczonych dja faz a, y, J3' i ~, układu Cu-Ał i fazykukładu Cu-Si Różnice te są spowodowane prawdopodobnie obecnością w badanych stopach krzemu, żeaza i cyrkonu Badania mikroskopowe Badania mikroskopowe brązu CuA19.2Si 1.5Zr (brąz ). W stanie wyżarzonym struktura brązu składa się z nicwiekiej iości eutcktoidu (a + y ), fazy K i a. W fazie a stwierdzono spasmowanie i obecność biźniaków. Po hartowaniu brązu stwierdzono strukturę martcnzytyczną charakteryzującą się djugimi i cienkimi igłami martenzytu ~ i ~, - rys. 2. Wiekość ziarna byłej fazy (3, okreśona metodą porównawczą, odpowiada wzorcowi nr O Podczas odpuszczania w temperaturze do 673K zmiany struktury zachodzą tyko w obrębie igieł matrenzytu, w których, po ujawnieniu się płaszczyzn podziału, następuje zbiźniaczenie. Przy takim rozpadzie martenzytu nadm1ar auminium, w postaci płytkowej i ziarnistej fazy y, wydziea si< wzdjuż igieł odpuszczonego martcnzytu - rys. 3. Równocześnie pierwotne igły martcnzytu stopniowo przyjmują cechy charakterystyczne dja fazy a i K, na co wskazują wyniki obserwacji w świete spoaryzowanym. Po odpuszczaniu w temperaturach 723 i 773K wydzieenia fazy y tworzą się również na granicach pam byłej fazy J3 i między igan1i dawnego martcnzytu. Odpuszczanie w temperaturze 823K powoduje zanik igastej budowy stopu i koaguację niewiekiej iości fazy y, rozmieszczonej w osnowie fazy a i spasmowanej fazy K. Odpuszczanie brązu w temperaturze powyżej 873K powoduje ponowne pojawienie się w strukturze martenzytu. Badania mikroskopowe brązu CuA19.5Si.92Fe3.5Zr (brąz 2). W stanie wyżarzonym w osnowie fazy a z biźniakami i eutektoidu (a + y) stwierdzono wydzieenia fazy bogatej w żeazo. Ma ona najczęściej kształt niereguarnych ziarenek - rys. 4. Pomimo większej zawartości krzemu i przy zbiżonej do brązu zawartości auminium nie stwierdzono w mikrostrukturze obecności fazy K. Wiekość ziarn fazy a, okreśona metodą porównawczą, odpowiada wzorcowi nr 7. Po załartowaniu brązu 2 z temperatury 1123K struktura składa się z mieszaniny drobnotgastego martenzytu J3' i ~,, w osnowie którego jest rozmieszczona znaczna iość pierwotnych wydzieeń fazy bogatej w żeazo. Porównanic mikrostruktur brązów i 2 w stanic załartowanym wskazuje, że dodatek żeaza działa modyfikująco na martenzytyczne fazy J3' i (3i. Igły martcnzytu w brązie 2 są znacznie krótsze i drobniejsze niż w brązie. Wiekość ziarn byłej fazy (3, okreśona metodą porównawczą, odpowiada wzorcowi nr 4-80% i wzorcowi nr 3-20% Podczas odpuszczania do temperatury 723 K rozpad martcnzytu rozpoczyna si< od wydzieania fazy y na granicach ziarn byłej fazy (3. Po odpuszczaniu w wyższych temperaturach rozpad martenzytu przebiega już w całej objętości próbki. W wyniku odpuszczania w tych temperaturach powstaje drobnoziarnista mieszanina (a + y). Wydzieenia fazy y mają kształt drobnych sferoidów i wykazują wi~kszy stopień dyspersji niż w brązie. Z przesyconej żeazem fazy a wydziea się również dyspersyjna faza bogata w żeazo. Mikrostrukturę brązu 2 odpuszczonego w temperaturze 823K

4 97 przedstm,iono na rys. :i Odpuszczanie stopu \\" 1~yżs zych temperaturach powoduje ponowne pojawienie s i ą w strukturze martenzytu Rys 2 P01~ 38000". c1cnka foia Brąz stan zahartowany g \ martefi0 tu 1-\1 j3,' BronLC - hardened 13' 1 j3,' ma11cns1te necdes Rvs 3 Pow "\OOOO.x, cienka fom Brąz - stan zaharto\~ an) 1 odpuszczony w temperatuf-c 673 K/120nun. C1enkJc wydzieerua fazy y pomi.;dz) igłami odpuszczonego martenzytu Bronze - hardcncd and tempcrcd in 673K/120min. 111in y precipitates betwccn martenie needcs. Rys. 4. Po\v. 400x. Brąz 2 - stan wyżarzony. W osnowie fazy a eutcktoidu (a + y) widoczne wydzieenia fazy bogatej w że azo. Bronze 2 - anneaed. ron-rich phasc prccipitates in a and (a + y) eutectoid matrix. Rys. 5. Pow IOOOx. Brąz 2 - stan zahmtowany i odpuszczony w temperaturze 8DK/120min. W osnowie fazy a widoczne wydzieenia skoaguowanej fazy y i fazy bogatej w że azo Bronze 2 - hardcncd and tempcred in 823K/20min. Coaguatcd y and ironrich phase precipitates in a matrix.

5 :i. Własności mechaniczne brązów awniniowych CuAJ9.2Si.5Zr i CuA19.5Si 1.92Fe3.5Zr Przebieg zn1ian własności mechanicznych brązów i 2 w zaeżności od temperatury odpuszczania przedstawiono na rys. i a własności mechaniczne po różnych sposobach obróbki ciepnej zestawiono w tabei 2. Hrutowanie powoduje w obydwu sopach znaczny wzrost wytrzymałości na rozciąganie i twa rdości przy obniżeniu własności pastycznych. Wyraźna zmiana własności mechanicznych po hartowaniu jt:st spowodowana wystąpieniem w strukturze faz martenzytycznych 13' i p, oraz zanikiem fazy u. W czasie odpuszczania brązów, gdy zmiany struktury zachodzą tyko w obrębie igieł martenzytu. nie obserwuje się wyraźnych zmian własności mechanicznych. Dopiero w wyższych temperaturach odpuszczania, kiedy w miejsce martenzytycznej stmktury igastej pojawia się faza u. Z porównania własności mechanicznych brązu i 2 po różnych sposobach obróbki ciepnej wynika, że zdecydowanie wyższe własności mechaniczne wykazuje brąz auminiowo-krzemowy z dodatkiem że aza. Tabea 1 Własności mechaniczne badanych brązów po różnych rodzajach obróbki ciepnej Nr brązu 2 Rodzaj obróbki ciepnej Rm fmpa wyżarzanie 547 hrutowanie od 123 K - woda 657 hartowanie od 1123K i odpuszczanie w i23k/2h 765 wyżarzanie 463 hartowanie od 1123K- woda 963 bartowanic od 1123K i odpuszczanie w 773K/'Jh 794 As HV30 f% () 'J]<) Brq.z nummtowy Cu -A - $1 -f:p -Zr TP.mCJt=-ra rura hortowoma 112JK Lzas oapuszczoma 12()' J '"' ~. - ~ -">- Rm -o-h V...:>- A 5 --,----, () o --~ ~ "' ti "' Q: E ~ <t JO [200". f : ~200 : ~ J rpmperoturo oc/puszczoiiq. K f 140~ 3::1 Rys. 6. Wpływ temperatury odpuszczania na własności mechaniczne brązu CuA19.5Si L92Fe3.5Zr. Infuence of the tempering temperatuce on mechanica properties ofthe CuA19.5Si L 92Fe3.5Zr bronze.

6 99 3. WNIOSKI Dodatek cyrkonu w brązach auminiowo-krzemowych zawierających żeazo wykazuje działanic modyfikujące na martei1zji P' i P 1 ' oraz fazę y powstającą w v:yniku rozpadu martenzytu. Działania takiego nie stwierdzono w brązach auminiowo-krzemowych bez dodatku t.eaza. :!.. Modyfikowane cyrkonem brązy auminiowo-krzemowe z dodatkiem żeaza mają wyższe własności wytrzymało ś ciowe ni ż brązy bez że a za Własności brą zów można poepszyć przez zastosowanie obróbki ciepnej.. Opł)1nane warunki obróbki ciepnej brązów CuAI9.5Si.9:!.Fe3. 5Zr są następujące hartowanic z temperatur, Ił nk w wodzie po wygrzaniu przez jedn ą godzin ę, odpuszczanie w temperaturze 773K w czasie dwóch godzin własności mechanicme po takiej obróbce są nastc;pującc: R., 794MPa. A, ~ 8 5%. HV30 = 139 Autom' pracy pragną gorąco podziękować dr inż za pu.ckazanic matetaó\\ do badań H. Przystupińskiem u UERAT ira [ IJ Gómy Z Ode\1nicze stopv metat nicżeam y ch, Wyd. Naukowo-Tcchnicme, Warszawa, Gtuet L : Rev. Met , 771. J: J Wison F.H Trans. AIME. 194X. 175, 2f> Turkin W.. Tiemofiejewa Z. Mietaowiedienje i obrobotka cwietnych mietaow i spławow, Mieta urgiz.dat.. Moskwa, J5 Prz~ st upiti ski H. Wp~w obróbki ciepnej na struktur<;. i własności bogatych w miedź stopów Cu-AI-St. Praca doktorska, Wrocław JC, J Turkin W.. Ficdorowa J. Mietałowiedienjc i obrobotka cwietnych mietałłow i spawow, Miet:a urgiz.dal Moskwa J7J Mace11 M.Y Modificirowan..ie struktury mietajow i spawow, Moskwa, MOD!FYING ACTION OF ZIRCONIUM IN ALUMINIUM-SILICON BRONZES SUMMARY The resuts o f structura and mechanica propert i es investigations o f the auminium-siieon bronz.es wit h and wiu10ut iron additions, modified with zirconium have been presented. Moditying action of zirconiwn has been found ony in case of the bronz.e with iron addition. This bronz.e bas higher mechanica properties as we.