18/22 Archives of Foundry, Year 2006, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2006, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 ANALIZA KRYSTALIZACJI STOPU AlMg (AG 51) METODĄ ATND T. CIUĆKA 1 Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji 1 Zakład Technologii Bezwiórowych Akademia Techniczno Humanistyczna 43 300 Bielsko Biała, ul. Willowa 2. STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań metodą ATND krystalizacji stopów metali nieżelaznych. Badania prowadzone były na odlewniczym stopie aluminium magnez AG51. Key words: ATD, ATND, crystallization 1. WPROWADZENIE Stop odlewniczy AlMg5Si1 zaliczany jest do grupy odlewniczych stopów aluminium. Stopy z magnezem coraz częściej zaczynają być stosowane w przemyśle odlewniczym, gdyż posiadają mniejszą gęstość w porównaniu z typowymi siluminami i większą odporność na korozję. Właściwości wytrzymałościowe odlewniczych stopów aluminium magnez kształtują się podobnie do właściwości siluminów. W przeszłości stopy te były mało wykorzystywane w produkcji, z dwóch powodów. W przypadku tych stopów konieczna jest długotrwała i kosztowna obróbka cieplna, dla uzyskania zadawalających właściwości wytrzymałościowych. Drugie utrudnienie w stosowaniu tych stopów to wymagany bardzo ścisły reżim technologiczny, przestrzegany w procesie topienia stopu. Stopy te powinny być topione pod pokryciem ochronnym, ponieważ magnez bardzo łatwo ulega utlenieniu. Temperatura topienia powinna być tak dobrana, aby była jak najniższa, lecz zapewniająca wymaganą lejność stopu. 1 dr inż., tciucka@ath.bielsko.pl
128 W czasie krystalizacji stopu powstają główne fazy i eutektyki, jak również fazy pochodzące z zanieczyszczeń będących w stopie. Znajomość przebiegu procesów krystalizacji stopu jest źródłem wielu informacji dla celów poznawczych, rozwoju nowych technologii przygotowywania ciekłego metalu oraz dla kontroli topienia stopów w przemyśle. Do badania procesu krystalizacji stosowana jest od szeregu lat Analiza Termiczno Derywacyjna. W Zakładzie Technologii Bezwiórowych Akademii Techniczno -Humanistycznej prowadzone są badania przebiegu krystalizacji nową metodą Analizy Termiczno Napięciowo Derywacyjnej (ATND). Metoda ta powstała z połączenia metody ATD i metody pomiaru powstającego napięcia elektrycznego podczas krzepnięcia stopu. Powstające fazy i eutektyki można określić za pomocą metody ATND i próbować oszacować ich ilość i charakter. 2. METODYKA I WYNIKI BADAŃ W pracy przedstawiono wyniki badań procesu krystalizacji stopu AG51, metodą ATND. Do badań wykorzystano handlowy stop AG51 produkowany w ZML KĘTY. Stop topiono w elektrycznym piecu oporowym w temperaturze 760 C. Badania prowadzono na stopie w postaci handlowej. Wyniki badań składu chemicznego badanego stopu podano w tabeli nr 1. Tabela 1. Skład chemiczny stopu AG51 Table 1. Chemical composition of AlCu7Ni5Fe3 alloy. Al 93,78% Mg 3,803% Fe 0,361% Zn 0,034% Na 0,002% Mn 0,295% Ti 0,004% Ni 0,041% Bi 0,002% Pb 0,006% Sn 0,019% Cu 0,036% Be 0,000% Cr 0,006% Si 1,608% Stop AG51 posiada mikrostrukturę składającą się z roztworu stałego α oraz eutektyki α+mg 2 Si, rozmieszczonej w przestrzeniach międzydendrytycznych. Żelazo, występujące jako dopuszczalne zanieczyszczenie, tworzy w obecności manganu fazę AlSiFeMn. Na rysunku 1 przedstawiono zarejestrowane krzywe krystalizacji stopu AG51 metodą ATND. W charakterystycznych miejscach procesu krystalizacji zostały zaznaczone punkty.
129 Rys. 1. Krzywe krystalizacji stopu AG51 metody ATND. Fig.1. Crystallization curves AG51 alloy of the ATND analysis. W punkcie występującym w temperaturze 658 C widoczny pierwszy duży efekt napięciowy spowodowany jest krystalizacją fazy wysokotopliwej manganowo żelazowej (Al 6 Mn+Al 10 Mn 2 Si). W punkcie o temperaturze 629 C widać maksymalny efekt cieplny, pochodzący od krystalizacji dendrytów roztworu stałego α. Następnym widocznym punktem jest punkt wstępujący w temperaturze 597 C. Jest to wg literatury [2-4] temperatura krystalizacji fazy Al(FeMn)Si. Punktem o temperaturze 595 C oznaczono krystalizowanie eutektyki α+mg 2 Si stopu. W temperaturze 574 C zaznaczono efekty cieplne i napięciowe pochodzące od krystalizacji śladowej ilości eutektyki Al+FeSiAl 3 +Si. Krystalizujące kryształy roztworu stałego α w 629 C znacznie wzbogaciły ciecz w pierwiastki takie jak Fe, Si. W tak przesyconej cieczy stężenie poszczególnych pierwiastków wzrosło na, tyle, że możliwe było powstanie tej fazy. Punktem o temperaturze 547 C zaznaczono pik na krzywych napięciowych pochodzący od krystalizacji fazy Mg 2 Si+Si i śladowych ilości fazy Al 2 Cu. Rysunek 2 przedstawia zbiór wielu krzywych krystalizacji badanego stopu. Analiza krzywych umożliwia określenie temperatur krystalizacji głównych faz stopu. Krystalizacja eutektyki α+mg 2 Si jest jednakowa dla poszczególnych prób jak, podobnie krystalizacja fazy α. Należy pamiętać, że krystalizacje faz cechują się bardzo dużą złożonością. W związku z tym powtarzalność parametrów krystalizacji jest mała. Z rysunku widać powtarzalność rejestracji procesu krystalizacji metodą ATND. Nieznaczne różnice przebiegu krzywych krystalizacji występujące w wyższych temperaturach prawdopodobnie spowodowane są: zmieniającym się składem chemicznym stopu w czasie badań, zmienną temperaturą badanego stopu, zmienną temperaturą formy odlewniczej, temperatury otoczenia itp., lecz gdy w stopie zaczynają krystalizować pierwsze kryształy faz, charaktery przebiegów krzywych zaczynają się powtarzać.
130 Rys. 2. Zbiór krzywych krystalizacji stopu AG51. Fig. 2. Series on the crystallization curves of AG51 alloy. Na rysunku 3 przedstawiono strukturę metalograficzną powstałą po zakrzepnięciu badanego stopu (pow. 500 x), oraz zostały zaznaczone zidentyfikowane mikroanalizą rentgenowską fazy występujące w strukturze metalu. Na rysunku 4 pokazano widma energetyczne zidentyfikowanych faz. Rys. 3. Struktura i fazy stopu AG51, 1 faza α, 2 faza Al(FeMn)Si, 3 faza Mg 2 Si. Fig. 3. Microstructure and phases of the AG51 alloy, 1 phase α, 2 phase Al (FeMn)Si, 3 phase Mg 2 Si.
131 1) 2) 3) Rys. 4. Widma energetyczne stopu AG51. Fig. 4. Rtg. quantity microanalysis of AG51. 3. WNIOSKI 1. Metoda ATND, jednoczesnego pomiaru temperatury krzepnącego stopu i powstającej różnicy potencjałów na sondach pomiarowych, ukazuje temperatury krystalizacji poszczególnych składników stopowych. 2. W metodzie ATND krzywe termiczne i napięciowe wskazują zjawiska fizykochemiczne zachodzące podczas krystalizacji stopu. 3. Powstanie faz i eutektyk, piki widoczne na krzywych metody, potwierdziła mikroanaliza rentgenowska składników strukturalnych występujących w badanym stopie. 4. Metoda ATND, może być pomocna w określaniu temperatur rozpuszczania poszczególnych składników, wydzielania się faz z roztworów przesyconych w stanie stałym i w określaniu przemian fazowych, w których nie występuje efekt cieplny.
132 LITERATURA [1] Fraś E.: Krystalizacja metali i stopów. PWN, Warszawa 1992r. [2] Górny Z.: Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT, Warszawa 1992r. [3] Mondolfo L. F.: Aluminium alloys. Structure and Properties. Butter Wooths, London, Boston 1976. [4] Pietrowski S.: Siluminy tłokowe. PAN Krzepnięcie metali i stopów, Zeszyt 29, Monografia, Katowice 1997r. [5] Pietrowski S.: Siluminy. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2001r. [6] Wasilewski P.: Siluminy modyfikacja i jej wpływ na strukturę i właściwości. PAN Krzepnięcie metali i stopów, Zeszyt 21, Monografia, Katowice 1993r. ANALYSIS CRYSTALLIZATION OF AG51 ALLOY WITH THE ATND METHOD SUMMARY The test results of the AG51 alloy crystallization, which were with the ATND method, have been presented here. ATND technique used to evaluate in AG51 alloy was presented. Recenzował: Prof. Stanisław Pietrowski