AMME 2001 10th JUBILEE INTERNATIONAL SC IENTIFIC CONFERENCE Wpływ warunków obróbki cieplnej na własnoci stopu AlMg1Si1* S. Tkaczyk, M. Kciuk Zakład Zarzdzania Jakoci, Instytut Materiałów Inynierskich i Biomedycznych, Politechnika lska ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland W pracy przedstawiono wpływ warunków obróbki cieplnej na własnoci stopu aluminium typu AlMg1Si1. Omówiono równie zjawisko korozji napreniowej tego stopu w rodowisku sztucznej wody morskiej, poddanego rozciganiu ze stał szybkoci w oparciu o współczynnik k. 1. WPROWADZENIE Wzrost gospodarczy wysoko uprzemysłowionych krajów wiata zwizany jest z wielkoci zuycia m.in. stali, miedzi, energii elektrycznej. Do tych wskaników zalicza si równie zuycie wyrobów hutniczych aluminium i jego stopów. Wskanik ten jest cile zwizany z wielkoci produktu krajowego brutto (PKB), kraje o niskim PKB (~4000 USD) zuywaj aluminium ~ 4-5 kg / głow, dla porównania Japonia, USA, Niemcy ~ 30 kg [1]. Z połoenia glinu w szeregu napiciowym metali wynika, e pierwiastek ten powinien by bardziej reaktywny od cynku i elaza. Tymczasem w kontakcie z atmosfer glin i jego techniczne stopy wykazuj wysok trwało i długo zachowuj swój pierwotny wygld [2]. Zachowanie takie jest efektem pasywacji powierzchni metalu. Przy kontakcie z tlenem tworzy si na powierzchni bardzo szczelna warstewka tlenkowa (tlenek glinu) o gruboci od 0.001 do 0.1 µm. Izolujc metal od kontaktu ze rodowiskiem hamuje ona dalszy rozwój korozji metalu [2,3]. Aluminium jako materiał ma bardzo due zastosowanie we wszystkich dziedzinach współczesnej techniki, w postaci czystego metalu jak i wielu stopów, z takimi dodatkami stopowymi jak magnez, mangan, mied i cynk [4]. Wpływ niektórych dodatków stopowych przedstawiono na rysunku 1 [3]. Wród tych stopów coraz czciej stosowane s stopy aluminium typu AlMgSi, które odznaczaj si dobrymi własnociami wytrzymałociowymi i du odpornoci na korozj w wikszoci rodowisk korozyjnych. Istnieje te moliwo poprawienia własnoci mechanicznych za pomoc procesów umacniania wydzieleniowego [5]. Z połoenia glinu w szeregu napiciowym metali wynika, e pierwiastek ten powinien by bardziej reaktywny od cynku i elaza. Tymczasem w kontakcie z atmosfer glin i jego * Autorzy uczestnicz w realizacji projektu CEEPUS Nr PL-013/01-02 kierowanego przez Prof. L.A. Dobrza skiego.
588 S. Tkaczyk, M. Kciuk techniczne stopy aluminium wykazuj wysok trwało i długo zachowuj swój pierwotny wygld. Zachowanie takie jest efektem pasywacji powierzchni metalu. Przy kontakcie z tlenem tworzy si na powierzchni bardzo szczelna warstewka tlenkowa o gruboci od 0,001 0,1 µm. Izoluj metal od kontaktu ze rodowiskiem hamuje ona dalsz korozj materiału [6,7]. W procesach korozji aluminium wystpuj wszystkie podstawowe zjawiska typowe dla innych metali i stopów, a wic korozja elektrochemiczna, werowa, szczelinowa, napreniowa. Pkanie korozyjne napreniowe zachodzi gdy jednoczenie działaj naprenia wywołane obcieniem mechanicznym lub napreniami wewntrznymi wskutek przeróbki plastycznej, obróbki mechanicznej, napre odlewniczych, obróbki cieplej oraz czynnika korozyjnego [5,8]. Zaleno t przedstawiono na rysunku 2 [6]. Zn Zwiksza wytrzymało, twardo i podatno na pkanie Al Cu Zwiksza wytrzymało, twardo, obnia odporno na korozj Mg Si Mn Polepsza odporno na korozj Podwysza własnoci mechaniczne, zwiksza odporno na korozj Polepsza własnoci wytrzymałociowe, zwiksza twardo i odporno na korozj Rys. 1 Wpływ niektórych dodatków stopowych na własnoci stopów aluminium [3] Specyficzne rodowisko Naprenia rozcigajce Podatno stopu Rys. 2 Warunki wystpowania korozyjnego pkania napreniowego [6]
Wpływ warunków obróbki cieplnej na własnoci stopu AlMg1Si1T 589 2. METODYKA BADA Materiał do bada stanowił stop AlMg1Si1 w postaci drutu o rednicy 1.98 mm, otrzymany na drodze obróbki plastycznej na zimno, a nastpnie poddany obróbce cieplnej. Skład chemiczny stopu AlMg1Si1 podano w tabeli 1. Tabela 1 Skład chemiczny stopu AlMg1Si1 Dodatek Mg Si Fe Mn Ni Zn Cu Al stopowy % wagowy 1.33 1.07 0.38 0.63 0.3 0.03 ladowe reszta Proces przesycania obejmował nagrzewanie do temperatury 520 C i wygrzewanie w tej temperaturze przez 3 godziny, z nastpnym ozibianiem w wodzie zimnej o temperaturze 2 5 C. Starzenie przypieszone przeprowadzone w temperaturze 160 C w czasie 1, 3, 6, 9, 12, 24h. Badania przeprowadzone zostały metod porównawcz w rodowisku korozyjnym tzw. sztucznej wodzie morskiej oraz obojtnym, które stanowiła gliceryna. Skład rodowiska korozyjnego był nastpujcy: - 3 % roztwór NaCl, - roztwór buforowy, którego zadaniem było utrzymanie stałego ph=3.5 o składzie: 0.5 N roztwór CH 3 COONa i 0.5 N CH 3 COOH. Przed rozpoczciem prób korozyjnych dodawano 5 cm 3 30 % H 2 O 2 na 100 cm 3. Próby przeprowadzano w temperaturze pokojowej. 3. WYNIKI BADA I ICH OMÓWIENIE Przeprowadzone badania struktury stopu AlMg1Si1 wykazały, i struktura badanego stopu w stanie wyjciowym składa si z roztworu stałego oraz licznych, bardzo drobnych wydziele fazy (Mg 2 Si). Obok fazy Mg 2 Si widoczne s take due, ciemnotrawice si wydzielenia (ułoone ła cuszkowo), prawdopodobnie fazy AlSiMnFe (rys. 3). Rys. 3 Struktura stopu AlMg1Si1 w stanie wyjciowym; 500 Rys. 4 Struktura stopu AlMg1Si1 po przesycaniu w temp. 520 C/3h; 500
590 S. Tkaczyk, M. Kciuk Rys. 5 Struktura stopu AlMg1Si1 po przesycaniu w temp.520 C/3h; starzenie 160 C/ 6h; 500 Rys. 6 Struktura stopu AlMg1Si1 po przesycaniu w temp.520 C/3h; starzenie 160 C/ 24h; 500 W strukturze stopu AlMg1Si1 przesyconego w temperaturze 520 C w czasie 3 godzin a nastpnie chłodzonego w wodzie zimnej (2-5 ), zaobserwowano na tle roztworu stałego, drobne wydzielenia fazy (Mg 2 Si) oraz mniejsz w porównaniu ze stanem wyjciowym ilo ciemno trawicych si wydziele fazy AlSiMnFe (rys.4). W pocztkowych czasach starzenia zaobserwowano faz (Mg 2 Si) oraz ułoon ła cuszkowo faz AlSiMnFe. W strukturze stopu po szeciogodzinnym starzeniu widoczna jest faza (Mg 2 Si) oraz punktowo rozmieszczona faza AlSiMnFe (rys. 5). Wraz z wydłueniem czasu starzenia obserwowano skłonno do jej równomiernego rozkładu, wokół niej wystpuje charakterystyczna obwódka (rys. 6). Korelacj z wynikami obserwacji struktury charakteryzuj si wyniki pomiarów twardoci, które wykazały wzrost twardoci badanych próbek wraz ze zwikszaniem czasu starzenia. Najwiksz twardo stop osignł po 12 godzinach starzenia i wynosiła ona 107,5 HV, podczas gdy jego twardo przed obróbk wynosiła 75 HV, a po przesycaniu 68,1 HV. Podobnie kształtuj si wyniki bada wytrzymałociowych. Po przeprowadzonych zabiegach obróbki cieplnej zauwaalny jest wzrost nastpujcych wielkoci: wytrzymało na rozciganie wynosiła po godzinie starzenia 274 [MPa] a po 24 godzinach starzenia 328[MPa], warto umownej granicy plastycznoci waha si od 95 [MPa] do 252 [MPa] w tym samym zakresie czasu starzenia. Interesujce s wyniki bada korozyjnych w warunkach korozji napreniowej, bdce redni z trzech pomiarów na jeden punkt pomiarowy, które wykazuj nieznaczny spadek wartoci współczynnika kσ bezporednio po przesycaniu (kσ r =0.959), do wartoci kσ r =0.987 po 24 godzinach starzenia.
Wpływ warunków obróbki cieplnej na własnoci stopu AlMg1Si1T 591 120 110 Twardo [HV] 100 90 80 70 60 1 3 6 9 12 24 Czas starzenia [godz] rednia twardo Odchylenie standardowe Twardo stopu w stanie wyjciowym Twardo stopu po przesycaniu Rys. 7 Zalenoci twardoci w stanie wyjciowym, po przesycaniu w 520 o C i od czasu starzenia przyspieszonego 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych bada stopu AlMg1Si1 i, przeprowadzona obróbka cieplna złoona z przesycania w temperaturze 520 C przez 3 godziny, z nastpnym ozibianiem w wodzie zimnej (temp. 2-5 C) i starzeniem przypieszonym w temperaturze 160 C, wywarła widoczny wpływ na zmiany własnoci mechanicznych a take na jego twardo, natomiast widoczny jest niewielki wpływ na zmiany struktury badanego stopu w analizowanych warunkach obróbki cieplnej. Podstawowym problemem badawczym było sprawdzenie odpornoci badanego stopu na pkanie korozyjne w warunkach rozcigania ze stał szybkoci, w oparciu o współczynnik kσ. Na podstawie przeprowadzonych bada mona stwierdzi, e stop AlMg1Si1 jest odporny na pkanie w warunkach korozji napreniowej w rodowisku wody morskiej, co potwierdza dotychczasowe dane literaturowe o tym stopie. LITERATURA 1. Senderski J.: Rudy i Metale Nieelazne (1998)Nr11, s.17 2. Tomassi P.: Inynieria Powierzchni (2000) Nr3, s. 27 3. http://www.aluminium-components.hydro.com/alloy.htm 4. Tokarski M.: Metaloznawstwo metali i stopów nieelaznych w zarysie, Wyd. lsk, Katowice 1986, s 152 5. http://www.alu-info.dk/htm/.
592 S. Tkaczyk, M. Kciuk 6. http://www.poeton.co.uk/pands/p-solver/corros/corrops.htm. 7. Wranglen G.: Podstawy korozji i ochrony metali, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 1985, s 135 8. Tkaczyk S.: Mat. V Konferencji Naukowo-Technicznej ANTYKOROZJA, Ustro - Jaszowiec 1996, s. 17