51/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 DOBÓR PARAMETRÓW OBRÓBKI CIEPLNEJ STOPU AlSi7Mg0,3 W. ORŁOWICZ 1, M. TUPAJ 2, M. MRÓZ 3 Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów STRESZCZENIE W pracy badano wpływ obróbki cieplnej (przesycanie i starzenie) na twardość i mikrostrukturę stopu AlSi7Mg0,3 modyfikowanego strontem. Próbki były przesycane z temperatury 540 o C po różnym czasie wygrzewania i chłodzone w wodzie o temperaturze 20 o C. Optymalny z uwagi na twardość okazał się czas wygrzewania 6 godzin w temperaturze 540 o C. Po zastosowaniu takich warunków przesycania próbki starzono w temperaturze 145 o C, 155 o C, 165 o C lub 175 o C w różnych czasach i następnie chłodzono w powietrzu. Najwyższą twardość uzyskano dla temperatury starzenia 175 o C i czasu 8 godzin. Stwierdzono, że w trakcie wygrzewania, w miarę upływu czasu zmniejsza się ilość wydzieleń krzemu. Key words: AlSi7Mg0,3 alloy, heat treatment, hardness. 1. WSTĘP Wiadomo, że właściwości mechaniczne stopów AlSiMg zależą od kształtu, wielkości i rozłożenia wydzieleń krzemu [1]. Sugeruje się nawet, że morfologia wydzieleń krzemu wywiera silniejszy wpływ na właściwości mechaniczne niż odległość pomiędzy gałęziami drugiego rzędu dendrytów fazy α (Al) [2]. W szeregu prac wykazano, że w przypadku modyfikowanego i niemodyfikowanego stopu Al-Si-Mg podczas obróbki cieplnej, istnieją różnice w mechanizmie zmiany wielkości i kształtu wydzieleń krzemu [2-4]. W stopie modyfikowanym proces sferoidyzacji wydzieleń krzemu przebiega szybko, podczas gdy w stopie niemodyfikowanym nawet po bardzo 1 prof. dr hab. inż., aworlow@prz.edu.pl 2 mgr inż., mirek@prz.edu.pl 3 dr inż.,mfmroz@prz.edu.pl
351 długim czasie wygrzewania w trakcie zabiegu przesycania uzyskuje się jedynie zaokrąglenia krawędzi kryształów krzemu [5]. Dla podwyższenia właściwości mechanicznych stopów Al-Si-Mg niezbędna jest poprawa morfologii wydzieleń krzemu. Najlepszym sposobem dla osiągnięcia tego celu jest wymuszenie wzrostu przechłodzenia podczas krystalizacji, co skutkuje zmianą morfologii wydzieleń krzemu z płytkowej na włóknistą [6]. Wiele prac poświęcono modyfikacji eutektyki, ale nie osiągnięto jeszcze tą drogą wydzieleń krzemu o kształcie sferoidów. Dla uzyskania wydzieleń krzemu o kształcie sferoidów wykonuje się obróbkę cieplną. W trakcie zabiegu przesycania stopu modyfikowanego dokonuje się fragmentacja włókien krzemu, następnie ich sferoidyzacja i wzrost. Obniżenie kosztów wytwarzania odlewów wymusza stosowania procedur zapewniających krótki czas trwania obróbki cieplnej. Wymaga to wykonania badań dla ustalenia parametrów tej obróbki (temperatury i czasu trwania poszczególnych zabiegów). Skuteczną obróbkę cieplną można realizować jedynie w przypadku odlewów wykonanych ze stopu dobrze rafinowanego i poprawnie zmodyfikowanego. Prawidłowo wykonana rafinacja pozwala na usunięcie tlenków i innych zanieczyszczeń oraz zmniejszenie zagazowania stopu, co wpływa na obniżenie jego porowatości. W przypadku stopu o niskiej jakości o właściwościach mechanicznych decydować będą nieciągłości materiału. Prawidłowo wykonana modyfikacja umożliwia skrócenie czasu przesycania stopu, ponieważ szybkość sferoidyzacji wydzieleń krzemu w stopie modyfikowanym jest znaczenie większa niż w stopie niemodyfikowanym [2]. Komercyjne stopy Al-Si-Mg są generalnie przesycane z temperatury 540 o C w wodzie a następnie sztucznie starzone w temperaturze 150-200 o C [7]. Celem pracy jest ustalenie czasu wygrzewania w temperaturze 540 o C oraz parametrów starzenia (temperatury i czasu) stopu AlSi7Mg0,3 modyfikowanego tytanem, borem i strontem, z uwagi na jego twardość. 2. METODYKA I MATERIAŁ DO BADAŃ W badaniach stosowano stop AlSi7Mg0,3 otrzymany w warunkach produkcyjnych (tabela 1). Ciekły metal stopiono w piecu komorowym gazowym i przelano do elektrycznego pieca oporowego, celem wykonania dalszej obróbki ciekłego metalu. Tabela 1. Skład chemiczny stopu AlSi7Mg0,3. Table 1. Chemical compositions of the AlSi7Mg0,3 alloy. Zawartość pierwiastków, % wag. Si Mg Cu Mn Fe Sr Ti B Al 7,02 0,30 0,01 0,01 0,09 0,0207 0,153 0,0102 reszta W elektrycznym piecu oporowym o pojemności 300 kg ciekły metal poddano zabiegowi rafinacji, modyfikacji zaprawą tytanowo-borową oraz modyfikacji strontem. Rafinację prowadzono preparatem o nazwie handlowej Dursalit EG281. Następnie
352 wprowadzono do stopu tytan i bor w postaci zaprawy AlTi5B1, dla uzyskania założonej zawartości 0,15%Ti. Z kolei przeprowadzono zabieg modyfikacji ciekłego metalu strontem, wprowadzając zaprawę AlSr10 w celu uzyskania założonej zawartości 0,02%Sr i zalano formy piaskowe odlewów klina (rys.1). Rys. 1. Odlew do badań. Fig. 1. The experimental casting used in this study. U podstawy klina, po odrzuceniu warstwy o grubości 20mm wycięto dwa plastry o grubości 12mm. Z plastrów tych przygotowano próbki do badań o wymiarach 10mmx20mmx40mm. Mikrostrukturę materiału do badań przedstawia rysunek 2. Rys. 2. Mikrostruktura materiału do badań. Fig. 2.The cast microstructure of the sample. Uzyskana mikrostruktura świadczy o skutecznie wykonanym zabiegu modyfikacji. W celu określenia czasu wygrzewania w temperaturze 540 o C próbki wygrzewano przez 14 godzin. Co dwie godziny wyjmowano z pieca po dwie próbki i chłodzono w wodzie o temperaturze 20 o C. Czas od otwarcia pieca do zanurzenia próbek w wodzie wynosił pięć sekund. Na każdej próbce po przeszlifowaniu powierzchni na papierze o ziarnistości 260 i 400 mierzono twardość (HRF). Wykonano po cztery pomiary na każdej próbce. Celem potwierdzenia uzyskanych wyników wykonano badania polegające na wygrzewaniu kolejnych próbek w temperaturze 540 o C, odpowiednio przez czas równy 2,4,6,8,10,12 i 14 godzin. Po każdym z ustalonych czasów wygrzewania w temperaturze 540 o C, po dwie próbki chłodzono w wodzie
353 o temperaturze 20 o C i następnie starzono w temperaturze 155 o C przez 4 godziny. Po przeszlifowaniu powierzchni, na próbkach dokonano pomiarów twardości (HRF). Po ustaleniu najkorzystniejszego czasu wygrzewania, wykonano badania mające na celu określenie najkorzystniejszej temperatury z uwagi na twardość i czas starzenia. Badania te wykonano dla parametrów przesycania uznanych za najkorzystniejsze z uwagi na twardość. Stosowano temperaturę starzenia 145 o C, 155 o C, 165 o C lub 175 o C. W każdej z tych temperatur wygrzewano po 24 próbki. Co dwie godziny wyjmowano po trzy próbki i chłodzono je na spokojnym powietrzu po ułożeniu na cegle szamotowej. Na próbkach po przeszlifowaniu ich powierzchni na papierze o ziarnistości 260 i 400 mierzono twardość (HRF). Wykonano po cztery pomiary na każdej próbce. Obróbkę cieplną wykonano w piecu silitowym typu KO 14 z ceramiczną komorą grzewczą, w którym sterownik (regulator FCD 100) pozwolił na utrzymanie założonej temperatury z dokładnością ± 2 o C. 3. WYNIKI BADAŃ Wyniki badań wpływu czasu wygrzewania w temperaturze 540 o C na twardość stopu AlSi7Mg0,3 przedstawia rysunek 3a. Na rysunku 3b przedstawiono wpływ czasu wygrzewania w temperaturze 540 o C na twardość stopu AlSi7Mg0,3 starzonego w temperaturze 155 o C przez czas 4 godzin z chłodzeniem na powietrzu. Rys. 3. Wpływ czasu wygrzewania w temperaturze 540 o C na twardość stopu AlSi7Mg0,3: a) po przesycaniu, b) po przesycaniu i starzeniu w temperaturze 155 o C/4h. Fig. 3. Effect of hold time at 540 o C on the hardness AlSi7Mg0,3 alloy: a) after solution heat treatment, b) after solution heat treatment and aging at 155 o C/4h. Uzyskane rezultaty pozwoliły na dobór najkorzystniejszego czasu wygrzewania z uwagi na twardość. Najwyższą wartość twardości uzyskano dla stopu przesycanego z temperatury 540 o C już po upływie czas wygrzewania równego 6 godzin. Uzyskane rezultaty są zbieżne z wynikami pracy [7], w której stwierdzono, że dla stopu AlSi7Mg modyfikowanego strontem (0,002%Sr) optymalny czas wygrzewania w temperaturze 540 o C wynosi od 3 do 6 godzin w przypadku stopu odlanego do formy piaskowej i od 1
354 do 2 godzin w przypadku stopu modyfikowanego strontem (0,002%Sr) i sodem (0,004%Na) odlanego do formy metalowej. Wyniki badań wpływu temperatury i czasu starzenia na twardość stopu przedstawiono na rysunku 4. Uzyskane rezultaty wskazują, że najwyższą twardość uzyskano dla stopu starzonego w temperaturze 175 o C. Dla jej uzyskania wystarczył czas 8 godzin. Zastosowanie niższej temperatury przesycania 165 o C, 155 o C albo 145 o C wiąże się z obniżeniem twardości stopu. Rys. 4. Wpływ temperatury i czasu starzenia na twardość stopu AlSi7Mg0,3 po przesycaniu z temperatury 540 o C po czasie 6 godzin. Fig. 4. Effect of aging heat treatment temperature and time on the hardness AlSi7Mg0,3 alloy solution heat treated at 540 o C for 6 hours. W pracy [8] dla uzyskania najkorzystniejszej wartości quality index stopu, który ujmuje w sobie wartości R m i R 0,2 rekomenduje się starzenie stopu AlSi7Mg właśnie w temperaturze 175 o C. Na rysunku 5 przedstawiono zmiany mikrostruktury stopu w miarę upływu czasu wygrzewania. Wpływ czasu wygrzewania na zmianę ilość wydzieleń krzemu w eutektyce przedstawiono na rysunku 6. Uzyskane rezultaty wskazują, że w miarę upływu czasu wygrzewania rośnie wielkość wydzieleń krzemu w eutektyce i zmniejsza się ich ilość.
355 a) b) c) d) Rys. 5. Mikrostruktura stopu AlSi7Mg0,3 przesycanego z temperatury 540 o C po czasie: a) 0,5 h, b) 4 h, c) 6 h, d) 10 h. Fig. 5. Microstructures of AlSi7Mg0,3 alloy solution heat treated at 540 o C for: a) 0,5 h, b) 4 h, c) 6 h, d) 10 h. Rys. 6. Wpływ czasu wygrzewania na ilość wydzieleń krzemu w eutektyce. Fig. 6. Effect of solution time on Si particles count/sq. mm.
356 4. PODSUMOWANIE Wystarczający czas wygrzewania w temperaturze 540 o C, z uwagi na twardość stopu AlSi7Mg0,3 poddanego następnie zabiegowi starzenia (155 o C/4h/powietrze), wynosi 6 godzin. W miarę upływu czasu wygrzewania następuje wzrost jednych wydzieleń krzemu kosztem innych. W efekcie tego zmniejsza się sumaryczna ilość wydzieleń krzemu. Najwyższą twardość stopu uzyskano dla temperatury starzenia stopu 175 o C po uprzednim przesycaniu z temperatury 540 o C po czasie wygrzewania 6 godzin. Dla zapewnienia takiej twardości wystarczył czas starzenia równy 8 godzin. Zastosowanie niższej temperatury starzenia 165 o C, 155 o C, 145 o C prowadzi do uzyskania niższych wartości twardości w porównaniu do wartości uzyskanych w temperaturze równej 175 o C. LITERATURA [1] Zhu. P.Y., Liu Q.Y.: Spheroidization of eutectic silicon in Al-Si alloys. AFS Transactions 1985, vol. 95, 609-614. [2] Apelian D., Shivkumar S., Sigworth G.: Fundamental aspects of heat treatment of cast Al-Si-Mg alloys. AFS Transactions, 1989, vol.97, 727-742. [3] Poniewierski Z.: Rola modyfikacji stopów w odlewnictwie siluminów obrobionych cieplnie. Przemiany strukturalne w stopach odlewniczych, teoria i efekty użytkowe. Wyd. Wyższej Szkoły Pedagogicznej w Rzeszowie, 1987, 107-114. [4] Shivkumar S, Ricci Jr S. Apelian D.: Influence of solution parameters and simplified supersaturation treatments on tensile properties of A356 alloy, AFS Transaction, 1990, vol. 98, 913-922. [5] Pietrowski St. Siluminy. Politechnika Łódzka, Łódź 2001. [6] Alan Najafabadi M.A., Khan S., Ourdjini A., Elliot R.: The flake-fibre transition in aluminum-silicon eutectic alloys. Cast metals, 1994, vol. 8, No 1, 35-42. [7] Shivkumar S., Ricci Jr. S., Steenhof B., Apelian D.: An experimental study to optimize the heat treatment of A356 alloy. AFS Transactions, 1989, vol. 138, 791-810. [8] Alexopoulos N.D., Pantelakis Sp.G.: Quality evaluation of A357 cast aluminum alloy specimens subjected to different artificial aging treatment. Materials and Design, 2004, 25, 419-430.
357 SELECTING OF HEAT TREATMENT PARAMETERS FOR AlSi7Mg0,3 ALLOY SUMMARY The effect of heat treatment (solution heat treatment and aging) on hardness and microstructure of the AlSi7Mg0,3 alloy modified with strontium was studied. Samples were solution heat treated at 540 o C for various time periods and cooled down in water at 20 o C. The temperature of 540 o C and solution heat treatment time of 6 hours appeared optimum in respect of hardness. After applying the above solution-heat-treatment conditions, the samples were aged at 145 o C, 155 o C, 165 o C and 175 o C for various time periods and then cooled down in air. The highest hardness was achieved for aging temperature of 175 o C and the time of 8 hours. Silicon precipitates were found to undergo spheroidizing in the course of solution heat treatment. Some precipitate grow with time at the expense of others. In consequence, the total number of silicon precipitates becomes reduced. Recenzował Prof. Jan Szajnar