28/2 Archives of Foundry, Year 2, Volume, (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2, Rocznik, Nr (2/2) PAN Katowice PL ISSN 642-538 ZMIANA WYBRANYCH WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH SILUMINU AK9 PO OBRÓBCE METALOTERMICZNEJ T. LIPIŃSKI Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych Katedra Technologii Maszyn i Materiałów -79 Olsztyn, ul. M. Oczapowskiego STRESZCZENIE W pracy przedstawiono efektywność oddziaływania mikrododatków: Pb 3 O 4, Cr 2, Al i Mg na wybrane właściwości mechaniczne (wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie względne, twardość Brinella). Rezultaty zaprezentowano za pomocą wprowadzonych wskaźników efektywności oddziaływania x zi i oddziaływania sumarycznego w ai dla poszczególnych składników mieszanki. Key words: Al alloys, silumins, crystallization, metallothermy. WPROWADZENIE Podeutektyczne stopu Al-Si swoje szerokie zastosowanie zawdzięczają stosunkowo wysokim właściwościom mechanicznym w odniesieniu do gęstości. Wadą tych stopów jest ich skłonność do wydzieleń krzemu w postaci ziarnistej lub iglastej. Taka budowa strukturalna stopu jest przyczyną niskich właściwości mechanicznych [2]. Związki chemiczne wprowadzane do stopu mogą w pewnych granicach zawartości powodować podwyższenie właściwości mechanicznych, zaś po przekroczeniu określonej zawartości powodować ich obniżenie. Jako przykład może posłużyć modyfikacja stopu AK2 zaprawą AlSr, której dodatek w ilości.25% korzystnie powoduje podwyższenie R m, A 5 i HB, natomiast zwiększenie jego ilości do.3% powoduje zmniejszenie wytrzymałościowych wskaźników stopu [5]. Proces modyfikacji siluminów podeutektycznych najczęściej przeprowadza się sodem [6]. Nie stwierdzono znaczącego oddziaływania tego pierwiastka na fazę. dr inż., tomekl@uwm.edu.pl
Zatem niemal całkowicie podwyższenie właściwości mechanicznych (głównie wytrzymałości na rozciąganie R m i wydłużenia względnego A 5 ) zawdzięcza się rozdrobnieniu eutektyki (+). Efekt ten można podwyższyć wprowadzając do stopu pierwiastki i związki chemiczne oddziaływujące nie tylko na eutektykę, lecz również na fazę. W niektórych przypadkach zastosowania stopu celowym jest wprowadzenie do niego cząstek, które nie ulegną rozpuszczeniu i będą występowały w strukturze jako wydzielenia []. Osiągnięcie powyższego celu było przesłanką do podjęcia badań nad wpływem na właściwości siluminu podeutektycznego kompleksowo oddziaływujących mieszanek. Mieszanki takie muszą być skomponowane w sposób zapewniający jak najszerszy wpływ wprowadzanych komponentów na właściwości mechaniczne stopów Al-Si. 2. CEL PRACY Celem pracy było porównanie wpływu poszczególnych mieszanek na wybrane właściwości mechaniczne siluminu AK7 po obróbce w procesie metalotermicznym. 3. METODYKA BADAŃ Badania przeprowadzono na stopie AK9 w oparciu o matematyczne planowanie doświadczeń. Zastosowano plan siatki simpleksowej trzeciego stopnia dla mieszanek: X - 75% Pb 3 O 4 + 25% Al, X 2-4% (Pb 3 O 4 +Al) stech. + 5% (Cr 2 +Al) stech. + % (Cr 2 +Mg) stech., X 3-4% (Pb 3 O 4 +Al) stech. + 4% (Cr 2 +Al) stech. + 2% (Cr 2 +Mg) stech., Wprowadzając Pb 3 O 4 zakładano zajście reakcji: 3Pb Al O 3O4 8Al 9Pb 4 2 3 Pb3O4 Mg 3Pb 4MgO z efektem egzotermicznym wykorzystanym do wprowadzenia składnika umacniającego Cr 2 +Al do stopu oraz powstającego w wyniku przebiegu reakcji Al 2. Zgodnie z przyjętym planem, ogólną postać zależności matematycznej przedstawia równanie (): y x 2x2 3x3 x x2 2xx3 3x2x3 xx2 x x2 () x x x x x x x x x x x 2 3 3 3 2 3 2 3 23 2 3 W celu weryfikacji adekwatności poszukiwanego modelu plan zasadniczy uzupełniono trzema doświadczeniami.
Wartości krytyczne współczynników regresji obliczano dla poziomu istotności =.5, współczynnika konfiguracji podobieństwa wzoru otrzymanego do idealnego =.93, liczby doświadczeń w każdym węźle planu k=2, wielomianu stopnia trzeciego n=3 z rozkładu t-studenta. Sprawdzenia adekwatności dokonano w każdym punkcie kontrolnym. Zależność przyjmowano za adekwatną, gdy wartość obliczona t była mniejsza lub równa wartości tablicowej (krytycznej) rozkładu t-studenta dla poziomu istotności i liczby stopni swobody. W celu analizy wpływu oddziaływania poszczególnych mieszanek na właściwości mechaniczne stopu po obróbce wprowadzono wskaźnik efektywności oddziaływania. Założono, że wpływ każdego ze składników jest proporcjonalny do jego współczynnika występującego w równaniu. Wskaźnik efektywności oddziaływania wyznaczono ze wzoru (2). x z 2 2 3 P x z 2 2 3 2 3 (2) P x z 3 3 2 3 2 3 P gdzie: P analizowany parametr (odpowiednio wartość wytrzymałości na rozciąganie, wydłużenia i twardości) dla nieobrobionego stopu AK9 otrzymany w warunkach doświadczenia. Porównując wpływ mieszanek na właściwości mechaniczne człon ijk (równ. ) pomijano ze względu na równe występowanie wszystkich 3 składników. Ocenie poddano wskaźnik efektywności oddziaływania x zi odpowiedniej mieszanki, otrzymany z wartości bezwzględnych odpowiednich współczynników. Na przykład dla mieszanki X sumowano wartości współczynników mających w równaniu w iloczynie x. Nie jest, zatem rozróżnialny kierunek samego oddziaływania, lecz jego sumaryczna wartość. Takie ujęcie analizowanego zagadnienia pozwala uwzględnić wszystkie współczynniki występujące w równ. () bez względu na ich znak. W przypadku ujmowania współczynników ze znakami wartości mogłyby się one w ostatecznym efekcie wzajemnie znosić. Formę przygotowywano ręcznie z masy klasycznej. Mieszanki po przygotowaniu umieszczano w komorze reakcyjnej usytuowanej pod wlewem głównym. Formę zalewano po 24 godzinach od zaformowania stopem AK9 o temperaturze 8 o C. Po zakrzepnięciu metalu, z odlewu pobierano próbki do badań mechanicznych, umieszczone w końcowej części formy [4].
4. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Efektywność oddziaływania poszczególnych mieszanek (X -X 3 ) na wytrzymałość na rozciąganie R m stopu AK9 przedstawiono na rys.. 7.5 5 2.5 xz xz2 xz3 Rys.. Efektywność oddziaływania poszczególnych mieszanek (X -X 3 ) na wytrzymałość na rozciąganie R m stopu AK9 Fig.. Efficiency of influence every one with mixtures (X -X 3 ) on tensile strength R m alloy AK9 5 2 9 6 3 xz xz2 xz3 Rys.2. Efektywność oddziaływania poszczególnych mieszanek (X -X 3 ) na wydłużenie względne A 5 stopu AK9 Fig.2. Efficiency of influence every one with mixtures (X -X 3 ) on unit elongation A 5 alloy AK9 Największą efektywność oddziaływania (x z3 =6.4) otrzymano dla X 3. Cząstki (krople) ołowiu w stopie podeutektycznym Al-Si są miejscami heterogenicznego zarodkowania i wzrostu kryształów pierwotnej fazy [3]. Zatem oddziaływanie tego składnika może również wpływać na badane parametry mechaniczne. Najniższą efektywność otrzymano dla mieszanki X (x z =4.5). Dla X 2, x z2 wyniósł 4.84. Porównując wskaźnik x z2 z x z3, czyli dla dwóch mieszanek różniących się w swoim składzie wyłącznie zawartością reduktorów Al. i Mg, na korzyść Mg w mieszance X 3 stwierdzono znaczne ich różnice (27%). Tłumaczyć to można wyłącznie zwiększeniem udziału Mg w mieszance X 3 kosztem Al. Efektywność oddziaływania poszczególnych mieszanek (X -X 3 ) na wydłużenie względne A 5 stopu AK9 przedstawiono na rys. 2. Podobnie jak dla wytrzymałości na rozciąganie i w przypadku wydłużenia największą efektywność oddziaływania otrzymano dla X 3 (x z3 =4.9). Niższe oddziaływanie (x z2 =2.7) otrzymano dla X 2. Najniższą efektywność otrzymano dla X (x z =2.3). W tym przypadku różnica pomiędzy x z2 i x z3 wynosi 7% i podobnie jak dla wytrzymałości na rozciąganie jest większa od różnicy pomiędzy efektywnością oddziaływania x z i x z2, która wynosi kilka procent. Uzyskane efektywności należy tłumaczyć podobnie jak przy efektywności wytrzymałości na rozciąganie Pierwiastki występujące w związkach jak i same związki oddziaływają jednocześnie na obie fazy stopu. Takie zestawienie efektywności oddziaływania może świadczyć o dużym wpływie na wydłużenie zarówno fazy jak i eutektyki (+).
Efektywność oddziaływania poszczególnych mieszanek (X -X 3 ) na twardość Brinella HB stopu AK9 przedstawiono na rys. 3. 2.5 2.5.5 xz xz2 xz3 Rys.3. Efektywność oddziaływania poszczególnych mieszanek (X -X 3 ) na twardość Brinella HB stopu AK9 Fig.3. Efficiency of influence every one with mixtures (X -X 3 ) on Brinell hardness HB alloy AK9 25 2 5 5 wa wa2 wa3 Rys.4. Sumaryczne oddziaływanie poszczególnych składników mieszanki na Rm, A5 i HB. Fig. 4. Total influence every one with mixtures (X -X 3 ) on R m, A 5, HB alloy AK9 Największe oddziaływanie z pośród analizowanych składników mieszanki otrzymano również dla mieszanki X 3 (x z3 =2.8), mniejszą x z =.46 dla Pb 3 O 4 +Al (X ). Dla X 2 wskaźnik wyniósł.. Zgodnie z literaturą dopiero po obróbce cieplnej stopu obrobionego dodatkiem Mg należy spodziewać się wzrostu właściwości mechanicznych [5]. Chcąc przedstawić sumaryczne oddziaływanie poszczególnych składników na wszystkie trzy analizowane parametry wprowadzono wskaźnik oddziaływania sumarycznego dla wartości bezwzględnych efektywności w ia. Wskaźnik ten przyjęto jako sumę oddziaływań, oddzielnie dla każdego analizowanego składnika mieszanki. Zatem: w x x x (3) ai zi( Rm) zi( A5) zi( HB) Sumaryczne oddziaływanie mieszanek na analizowane parametry (właściwości wytrzymałościowe) za pomocą wskaźnika w ai przedstawiono na rys. 4. Najwyższy wskaźnik sumarycznej efektywności otrzymano dla mieszanki X 3. Niższe wartości wskaźnika w ia otrzymano dla mieszanki X. Porównując wskaźniki dla mieszanek różniących się tylko proporcją zawartości Al i Mg tj. X 2 i X 3 należy podkreślić silne oddziaływanie magnezu w kierunku wzrostu efektywności. Najmniejszą (z analizowanych mieszanek) efektywność otrzymano dla mieszanki X złożonej z Pb 3 O 4 +Al. Pb 3 O 4 jest składnikiem wysokoenergetycznym mieszanki. Wpływ tego składnika na twardość należy doszukiwać się raczej w rozdrobnieniu budowy mikrostrukturalnej niż w tworzeniu twardych faz, czy też umocnieniu wydzieleniowym
stopu. Umocnienia nie można jednak wykluczyć ze względu na jego oddziaływanie utleniające składnika Al, w wyniku, którego może powstać Al 2 (proces utleniania wewnętrznego). Porównując efektywność wszystkich analizowanych mieszanek z ich składem chemicznym należy stwierdzić również korzystny wpływ na analizowane parametry Cr 2, zwłaszcza w połączeniu z reduktorem Mg. 5. STWIERDZENIA I WNIOSKI. Mieszanka zawierająca Cr 2 wykazuje silną efektywność oddziaływania, gdy jako reduktor występuje Mg. 2. Stwierdzono wyższą efektywność oddziaływania analizowanych mieszanek, gdy reduktorem jest Mg niż Al. 3. Biorąc pod uwagę dobrą efektywność oddziaływania Cr 2 w połączeniu z Mg celowym jest prowadzenie dalszych badań z tymi składnikami. LITERATURA [] Borkowski S., Obróbka stopu AK7 chromonośnymi mieszankami egzotermicznymi, XVI Sesja Naukowa Okrętowców, Szczecin - Dziwnówek, (994) [2] Górny Z. Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT Warszawa (992). [3] Konopka Z.: Krystalizacja kompozytu AK9-Pb. Politechnika Częstochowska. Monografia nr 9. Częstochowa (999). [4] Lipiński T.: Uszlachetnianie stopu AK9 mikrododatkami związków chemicznych w procesie metalotermicznym. IV Międzynarodowe Seminarium nt. Efektywność eksploatacji systemów technicznych. Olsztyn (997) [5] Romankiewicz F.: Modyfikacja siluminu AK2. Krzepnięcie metali i stopów nr 43 (2) [6] Wasilewski P.: Siluminy modyfikacja i jej wpływ na strukturę i właściwości. Krzepnięcie metali i stopów nr 2 (993). CHANGE OF CHOICE MECHANICAL PROPERTIES SILUMINIUM AK9 AFTER METALLOTHERMICAL TREATMENT SUMMARY The paper brings results of efficiency of chemical microadditions Pb 3 O 4, Cr 2, Al i Mg influences on selected mechanical properties (tensile strength, unit elongations, Brinell hardness). The results are presented by introduced influence efficiency index x zi and total efficiency index w ai for every one of ingredients. Recenzowali Prof. Przemysław Wasilewski i Prof. Józef Gawroński