22/3 Solidilication of Metais and Alluys, Nu 22, 1995 Krzepniecie Metali i Stopów, Nr 22, 1995 PAN - Oddział Katowice PL ISSN

Transkrypt

1 22/3 Solidilication of Metais and Alluys, Nu 22, 1995 Krzepniecie Metali i Stopów, Nr 22, 1995 PAN - Oddział Katowice PL ISSN Wpływ warunków stygnięcia i krzepnięcia stopóv Al- Si na ich mikrostrukturę. WlERZBICKA Barbara, 1\-UTKO Marian Katedra Odlewnictwa, Politechnika Częstochowska Częstochowa, ul. Dąbrowskiego 69, POLAND l. Wprowadzenie W warunkach krystalizacji nierównowagowej obserwuje się zmianę położenia punktów charakterystycznych dla układu równowagi Al-Si. Zgodnie ze stwierdzeniem szeregu autorów [ 1,2,3,4,5,6] przy szybkiej krystalizacji zwiększa się zakres maksymalnej rozpuszczalności krzemu w aluminium, punkt eutektyczny przemieszcza się w kierunku wyższych zawartości krzemu, temperatury likwidusu i przemiany eutektycznej ulegają obniżeniu. Równocześnie obserwuje się występowanie mikrosegregacji dendrytycznej, roztwór stały a przyjmuje formę wydłużonych dendrytów, zwiększa się rozdrobnienie kryształów pierwotnych krzemu oraz dyspersja krzemu eutektycznego. W rozważaniach pomijamy superszybką krystalizację, w wyniku której tworzy się struktura komórkowa wolna od niejednorodności dendrycznej. Przedmiotem naszych szczególnych zainteresowań jest oddziaływanie przyspieszonego odprowadzenia ciepła z odlewu na zawartość i rozdrobnienie eutektyki w stopach Al-Si. Aktualne poglądy dotyczące budowy ziarna eutektycznego [ 7,8,9] opierają się na stwierdzeniu, że zawiera ono jeden silnie rozgałęziony dendrytyczny kryształ krzemu. Przekroje ramion stanowiących powyginane płytki są widoczne na zgładzie w postaci różnych grubości igieł. W pewnych określonych warunkach przechłodzenia tworzą się odgałęzienia dendrytów w postaci włóknistej, co na zgładzie odpowiada konfiguracji drobnych ziarenek. Według Szarowa [9] taka forma krzemu eutektycznego może występować w wyniku szybkiego chłodzenia stopu, natomiast Holmanowa [8] uważa, że włókniste odgałęzienia krzemu mogą wytworzyć się wyłącznie w wyniku modyfikacji stopu. Wydaje się, że problem ten wymaga dalszego rozpoznania. Autorzy podjęli badania dotyczące wpływu różnej szybkości odprowadzania ciepła z krzepnącego odlewu na mikrostrukturę stopu Al-Si, przy czym dla oceny procesu krystalizacji posługiwano się metodą analizy różniczkowej (A TD). Ten sposób oceny krystalizacji był wykorzystywany przez niektórych autorów [10,11] i zasługuje na dalsze rozpowszechnienie. Należy jednak zwrócić uwagę, że w prezentowanych badaniach nie stosowano próbnika zabezpieczającego ustalone warunki cieplne krzepnięcia, a rejestrowano krzywe termiczne dla zmiennych warunków odprowadzania ciepła przez formę.

2 41 2. Warunki badań. Badania przeprowadzono dla stopów Al-Si wytworzonych z czystych składników, tj. aluminium gat. AOO oraz krzemu wy&okiej czystości. Stopy wytapiano w piecu indukcyjnym o pojemności tygla 5 kg, zasilanym z przetwornicy tyrystorowej pieca próżniowego Leybold -Hereaus. Sporządzono trzy składy stopów o zawartości krzemu: 11,6 %, 9,84 % i 6,19 %. Dla 011iągnięcia zróżnicowanych szybkości chłodzenia odlewanych próbek konieczne było wykonanie form o zmiennym współczynniku odprowadzenia ciepła. Efekt ten osiągnięto dzięki zastosowaniu form wykonanych z miedzi, grafitu i żeliwa oraz z żeliwa z naniesioną powłoką izolacyjną o grubości 2 mm. W formach wykonano otwory o średnicy l,2 mm pozwalające na wprowadzenie cienkich termoelementów Ni-NiCr. Wymiary form oraz sposób zamontowania termoelementu przedstawia rysunek l. Końcówki termopar podłączono do wzmacniacza - stabilizatora połączonego z komputerem wyposażonym w przetwornik elektroniczny. Kolejne 24 termoelement Nt -CrNi uszczelnienie teflonone Rysunek l. Kształt i wymiary formy oraz sposób umieszczania termoelementu. The shape and dirnensions ofthe mould and termocouple location. stopy zalewano do czterech form, przebieg krzepnięcia rejestrowano na dysku w formie punktów pomiarowych temperatury i czasu. Uzyskane próbki przecinano na stałej wysokości i "Wykonywano zgłady. Dokonano obserwacji mikrostruktury na mikroskopie optycznym "Epiphot" firmy Nikon. Tam także przeprowadzono pomiary mikrotwardości przy użyciu mikrotwardościomierza MHT-4 firmy Anton Paar KG, oraz pomiary odległości międzyfazowej eutektyki (A.). Udział powierzchniowy eutektyki (na dziesięciu polach pomiarowych) określo no przy użyciu komputerowego analizatora obrazu Magiscan fmny Joyce - Loebei. 3. Wyniki badań i ich analiza Przykładowy przebieg krzywych A TD przedstawiono na rysunku 2. Wielkości wyznaczone z krzywych A TO, a charakteryzujące przebieg poszczególnych doświadczeń zestawiono w tabeli 2. Analizując uzyskane dane oraz ich wzajemne relacje należy zwrócić uwagę na zależność : temperatura likwidusu - szybkość chłodzenia. Zależność tę przedstawiono w formie graficznej na rysunku 3. Obserwuje się tutaj wyraźne zwiększenie przechłodzenia ze wzrostem szybkości chłodzenia w stanie ciekłym. Mikrozgłady próbek z poszczególnych doświadczeń poddano obserwacjom na mikroskopie optycznym. Stwierdzono wyraźne zmiany mikrostruktury próbek, krzepnących w

3 42 różnych warunkach chłodzenia (wybrane mikrostruktury przedstawiono na rysunkach 4 i 5), przy czym największe zmiany zaobserwowano w stopie A!Si 11,6. Ze wzrostem szybkości chłodzenia obok dyspersji eutektyki widoczne było zmniejszenie ilości i wymiarów T o d T d 'T -8 [ o C) 7i [KĄ;] Tś - ---~~ l ~ T TK~: -12 l l l l o Y o 1; To '[[s] Rysunek 2. Krzywe ATD dla stopu AISi 9,8 (forma żeliwna ). The ATD curve for AISi 9,8 alloy (cast iron mould). kryształów krzemu, a także zmiana wymiarów dendrytów fazy A.. Ilościowe pomiary udziału eutektyki wykazały zmniejszenie się jej udziału powierzchniowego ze wzrostem szybkości chłodzenia. Zależność tę przedstawiono na rysunku 6. Wzrostowi zawartości fazy 'A towarzyszy wzrost mikrotwardości roztworu stałego, co może świadczyć o większym udziale ~ 630r , i; x- '::::1 o 610 ~ "".:.:j ~ -x-._._ -x- - - Sl t ~ $J ~ --- ~ - ~ 570 lqj 560~--_.----~----~--~----~--~ o w m ~ ~ oo w Vc} K/s -o-- 11,6 % Si ,8 %Si - X- - 6,2 %S i Rysunek 3. Wpływ szybkości chłodzenia Vc na temperaturę likwidusu TL. Liquidus temperature T L versus the rate o f cooling V c.

4 składnika stopowego w roztworze. Wyniki pomiarów mikrotwardości dla stopu Al S i II,6 przedstawiono w tabeli 2. W tabeli tej przedstawiono także próbę oszacowanie stopnia dyspersji eutektyki tj. określono wartość Ą (odległości międzyfazowej). Stopień dyspersji 43 Tabela l Zestawienie danych otrzymanych z analizy ATD badanych stopów Al-Si Stop Forma Tzal, C Tlik, C Tsol, C Tkk, C Vc, K/s 'tkr' s miedziana , AlSi 11,6 grafitowa , (11,6% Si) żeliwna , :eliw. z powł , miedziana , AlSi 9,8 grafitowa , tl (9,8% Si) żeliwna , żeliw. z powł , miedziana , AlSi 6,2 grafitowa , (6,2% Si) żeliwna , żeliw. z powł , gdzie: V c =(T zal-t lik)/( 't2- 'to) ; 'tkk = 't3- 't2 ; oznaczenia jak na rysunku 2 Rysunek 4. Mikrostruktura stopu AlSi 11,6% krzepnącego: a) w formie żeliwnej z powłoką izolacyjną, b) w fonnie miedzianej. Microstructure of AISi 11,6% solidified: a) in the cast iron mould with ceramie shell, b) in the copper mould.

5 j.lm... Rysunek 5. Mikrostruktura stopu AISi 6,19% krzepnącego : a) w formie żeliwnej z powłoką izolacyjną, b) w formie miedzianej. Microstructure of AISi 6,19% solidified: a) in the cast iron mould with ceramie shell, b) in the cepper mould Tabela 2 Wyniki pomiarów mikrotwardości fazy Ą oraz odległości międzyfazowej w ziarnie eute k (tycznym d la stopu A IS 111,6%. " materiał formy j.lhv (średnia z 5 pom.) Ą [m 11] (średnie z 5 pom.) miedziowe 67,1 4,3 grafitowe 62,0 4,5 żeliwne 60,0 5 żeliwne z powłoką 56,8 12 QZDr ~ 0.f8 0,16 0,1~ ~ --~ ~ -x-. - -x- ~ 116%Si ,8 %SL - x- - 6,2 %S t 0,04~--~----~--~--~----~5-0--~ Vc, K/s Rysunek 6. Wpływ szybkości chłodzenia V c na udział powierzchniowy eutektyki. The mean area o f eutectic precipitations versus the rate of cooling V c.

6 45 eutektyki należy wiązać przede wszystkim z czasem krzepnięcia 'tkv Wie lkość ta przyjmuje wysokie wartośc i dla przypadku krzepnięcia w formie z powłoką izolacyjną. Dla pozostały c h rodzajów form czasy krzepnię cia próbek są wyraźnie niższe i mało zróżnicowane. Odpowiada to małemu zróżnicowan iu w arto ś c i A. określonych na mikrozgładach próbek z tych dośw i adc zeń. Przeprowadzone badania potwierdziły korelacj ę pomiędzy parametrami otrzymanymi z analizy ATD a wskaźnikami struktury badanych stopów stygnących i krzepnących w różnych warunkach. Daje to mo żliwo ść przewidywania właściwości odlewów na podstawie przeprowadzonej analizy ATD, co ma istotne znaczenie dla praktyki przemysłowej. Zasygnalizowana próba tej oceny, a szczególnie oceny ilo ś ciowej wymaga dalszych badań. LITERATURA [l) Kmiani N.: Abbaschian G.K. Aluminium lg , p [2) Poniewierski Z. : Krystalizacja, struktura i właściwośc i siluminów. WNT, Warszawa (3] Ciach R, Tałach-Dumańska M.: Sprawozdanie z pracy badawczej CPBP 02.09, zad /86, 05.11/87, IPM PAN Kraków. (4] Dobatkin W. I. i inn.: Metalurgia i metalovedenie cvetnych splavov. Izd. "Nauka", Moskva 1982, s.53. [5) Fraś E. : Teoretyczne podstawy krystalizacji cz. 2. Skrypt AGH Kraków, [6) Haroani M.C., Pikunov M.B.: Tzw. V.U.Z. Cemaja Metalurgia, 1992, 3, s. 53. [7) Smart R.F.: The British Foundryman 1971, l l, p [8 ) Halmanova M. : Slevarenstvi 1975, XXIII, 3-4, s.45. [9] Szarov M.B.: Metalurgia i metalovedenie cvetnych splavov. Izd. "Nauka", Moskva 1982, s. 76. [10) Sakwa J. : Kr zep n ięcie metali i stopów. Wyd. Oddziału PAN Katowice, 1990, nr 14, s.57 [Ił] Pietrowski S.: Przegląd odlewnictwa 1994, l, s. 10. The Influence of Cooling and Solidifying Conditions ou the Microstructure of Al - Si Alloys ABSTRACT In the work relationships between characteristic parameters of cooling and so1idifying processes for selected Al-Si alloys and their microstructures have been determined. Investigations have been beld for tree hypoeutectic alloys of different silieon eontent The molten metal has been cast into four moulds, each of them of different beat transfer conditions. Measuring and registration of ATD curves (frrst derivatives ofthe liquidus curves) bas been done by means of eight-channel computer measuring clevice for temperature field recording. Characteristic parameters of individual solidification processes have been determined from the collected data and compared with microstructural parameters of the investigated alloys.