WPYW PARAMETROW ODLEWANIA CINIENIOWEGO STOPU AZ91D NA JEGO MIKROSTRUKTURE

32/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 WPYW PARAMETROW ODLEWANIA CINIENIOWEGO STOPU AZ91D NA JEGO MIKROSTRUKTURE A. ONISZCZUK 1, S. RZADKOSZ 2 Akademia Górniczo Hutnicza w Krakowie Wydział Odlewnictwa, Zakład Odlewnictwa Metali Nieelaznych ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków STRESZCZENIE W artykule omówiono wpływ parametrów odlewania cinieniowego na mikrostruktur stopu AZ91D odlewanego do formy w gorcokomorowej maszynie cinieniowej WEMH 400. W trakcie bada zmieniano prdko wtrysku stopu w drugiej fazie procesu okrelajc właciwoci mechaniczne oraz odpowiadajc im mikrostruktur stopu AZ91D. Analizie poddano obecno porowatoci w odlewach w zalenoci od usytuowania miejsca pomiaru od wlewu doprowadzajcego. Key words: die casting, magnesium alloys 1. WPROWADZENIE Wikszo produkowanych odlewów ze stopów magnezu wykonuje si technologi odlewania wysokocinieniowego. Mimo swoich niewtpliwych zalet, czyli małej gstoci przy stosunkowo duej wytrzymałoci, stopy magnezu sprawiaj due trudnoci technologiczne. Przede wszystkim magnez utlenia si intensywnie przy temperaturze odlewania. Drug właciwoci magnezu utrudniajc jego odlewanie jest bardzo szybkie krzepnicie, co wymaga od konstruktorów formy i technologów specyficznego podejcia. Na jako odlewu ma zatem wpływ technologia procesu odlewania jak równie kształt odlewu, grubo cianek. Niewtpliwie na struktur 1 mgr in., andrzej.oniszczuk@alpha.krakow.pl; 2 dr hab. in., prof. nadzw., rzadkosz@uci.agh.edu.pl

odlewu musi mie wpływ długo drogi płynicia metalu co badano w prezentowanej pracy. 2. WARUNKI BADA Badania przeprowadzono w skali laboratoryjnej i przemysłowej. Odlewy wykonano w odlewni cinieniowej P.Z. ALPHA w Krakowie, a badania laboratoryjne w Zakładzie Metali Nieelaznych Wydziału Odlewnictwa. Uyto maszyny cinieniowej o rednicy tłoka prasujcego 90 mm i sile zwierania 400 t, z piecem oporowym o mocy 80 kw. Jako wsad metalowy zastosowano gski gotowego stopu AZ91D (produkcji firmy MEL), bez złomu obiegowego. Magnez topiono i odlewano z wykorzystaniem gazu ochronnego o składzie: 0,4% SO 2 + suche powietrze. Nie stosowano uli ochronnych Temperatura odlewania magnezu wynosiła 630 C. Temperatura oleju grzejcego-chłodzcego form: wkładki 160 C, rdzenie 140 C. Cykl maszyny 24 s. Tabela 1.Skład chemiczny stopu AZ91D, pochodzcego z wytopu, z którego odlewano cinieniowo detale wraz z dotyczc ich norm PN-EN 1753 Table 1. Chemical composition of AZ91D alloy originated from melts used in casting process and prepared according to standard PN-EN 1753 Skład chemiczny [%] Al Zn Mn Si Fe Cu Ni Kady z pozostałych Wg normy PN-EN 1753[3] Wytop 000039 (MEL) 8,5-9,5 0,45-0,9 >0,17 <0,05 <0,004 <0,025 <0,001 <0,01 8,5 0,6 0,21 0,04 0,004 0,002 0,001 <0,01 Poddano analizie proces odlewania obudowy wysokiej klasy elektronarzdzia ze stopu AZ91D, który przedstawiono na rys. 1. Odlew ten ma bardzo wysokie wymagania dotyczce szczelnoci i zwartoci struktury wewntrznej metalu. Podstawowe cechy odlewu: waga detalu 284g, waga układu wlewowego z przelewami 59g, rednia grubo cianki odlewu 3,3 mm. Do bada mikrostruktury próbki trawione były 3% Nitalem. Próbki na zgłady do bada wpływu prdkoci pobierano z odległoci ok. 100 mm od szczeliny wlewowej. Przy badaniu wpływu gruboci cianki próbki pobrano z detalu odlanego z prdkoci tłoka w drugiej fazie wynoszc 1,44 m/s, z odległoci ok. 50 mm od szczeliny wlewowej. Wskanik rozdrobnienia mikrostruktury oceniono na podstawie gruboci gałzi krystalitów i odległoci midzy elementami krystalitów. 288

Rys. 1. Badany odlew cinieniowy ze stopu AZ91D Fig. 1. The die casting made of AZ91D 3. BADANIA WPŁYWU PRDKOCI DRUGIEJ FAZY WTRYSKU NA JAKO ODLEWU CINIENIOWEGO Parametrem, który zmieniano w czasie odlewania była prdko drugiej fazy zalewania. Znajc prdko tłoka mona z łatwoci wyliczy w przyblieniu prdko metalu w szczelinie wlewowej ze wzoru [4]: v szcz.wlew. = f k.pr / f szcz.wlew. * v pr = 127,17 * v pr, (1) gdzie f k.pr. powierzchnia poprzecznego przekroju komory prasowania, przy rednicy komory 90 mm wynosi ona 6358,5 mm 2, f szcz.wlew. powierzchnia poprzecznego przekroju szczeliny wlewowej, przy tym odlewie 50 mm 2, v pr prdko przemieszczania tłoka prasujcego. Poniej przedstawiono pobrany z maszyny cinieniowej wykres zmian parametrów wtrysku w czasie oraz tabel z przeliczonymi wartociami prdkoci metalu w szczelinie wlewowej, dla jakich przeprowadzono badania. Rys. 2.Wykres parametrów wtrysku w zalenoci od czasu dla v pr. = 1,44 m/s; v prdko tłoka, s droga tłoka, p PT cinienie oleju pod tłokiem, p NT cinienie oleju nad tłokiem. Fig.2. Diagram of the injection parameters vs. time for established v pr. = 1,44 m/s; v piston velocity, s piston displacement, p PT oil pressure under the piston, p NT oil pressure above the piston. 289

Vpr [m/s] Vszcz. wlew. [m/s] 0,23 29,2 0,38 48,3 0,51 64,8 0,88 111,9 1,22 155,1 1,44 183,1 1,53 194,5 Tabela 2 Zestawienie zastosowanych w dowiadczeniu wartoci prdkoci tłoka w drugiej fazie wraz z odpowiadajcymi im prdkociami metalu w szczelinie wlewowej Table 2 List of piston velocity values applied in second phase of die casting machine along with corresponding metal velocities in the slot of gate system Wytrzymało na rozciganie Rm [MPa] Prdko tłoka w drugiej fazie strzału Vpr [m/s] Odl. midzy ramionami krystalitów [µm] 5.5 5 4.5 4 0.23 0.38 0.51 0.88 1.22 1.53 Prdko tłoka w II fazie strzału Vpr [m/s] Rys. 3. Wyniki bada wytrzymałoci na rozciganie w zalenoci od prdkoci tłoka w drugiej fazie zalewania odlewu cinieniowego ze stopu AZ91D. Fig. 3. The extension strength of AZ91D alloy vs. piston velocity in second phase of die casting process. Rys. 4. Wykres zmian odległoci midzy ramionami krystalitów dc w zalenoci od prdkoci tłoka w drugiej fazie zalewania odlewu cinieniowego ze stopu AZ91D. Fig. 4. Diagram of distance existing between the crystallite arms dc in casting made of AZ91D alloy vs. piston velocity value in the second phase of die casting process. Jak wynika z bada wytrzymałociowych (rys. 3), wykonanych na próbkach wycitych z odlewów, wraz ze wzrostem szybkoci zalewania mona zauway nieznaczn tendencj do zwikszenia wytrzymałoci. Przy małych prdkociach mamy duo wiksze rónice w wynikach, ni przy prdkociach wikszych, gdzie wyniki s bardziej stabilne. Odległoci midzy ramionami krystalitów nieznacznie malej wraz ze wzrostem prdkoci zalewania, co zreszt mona zaobserwowa na zdjciach mikrostruktur poniej. Analiza mikrostruktur próbek z poszczególnych odlewów wykonanych przy rónej prdkoci ukazuje, e oprócz wyranie zaznaczajcej si tendencji zwikszania 290

stopnia dyspersji, z rón intensywnoci pojawiaj si mikroporowatoci w rónych strefach odlewu, przy czym nie zarejestrowano wyraniejszych zalenoci wielkoci mikroporowatoci, sposobu ich rozmieszczenia wraz ze zmian prdkoci wtrysku. (a) (b) (c) Rys. 5. Mikrostruktura odlewu cinieniowego ze stopu AZ91D w zalenoci od prdkoci tłoka prasujcego w drugiej fazie strzału (a) 0,23 m/s, (b) 0,88 m/s oraz (c) 1,53 m/s Fig. 5. Microstructure of die casting made of AZ91D vs. piston velocity value in second phase of the shot: (a) 0.23 m/s, (b) 0.88 m/s and (c) 1.53 m/s 4. WPŁYW GRUBOCI CIANKI NA STRUKTUR ODLEWU Na podstawie przeprowadzonych bada mona stwierdzi, e w odlewie wraz ze zwikszeniem gruboci cianki porowato wyranie zwiksza si i tak w przypadku małej gruboci cianki rzdu 1,7 mm widoczne s bardzo małe skupiska porowatoci skurczowej, natomiast przy ciance o gruboci 5 lub 10 mm skupiska te s bardziej rozległe a same pory znacznie wiksze. Trzeba zaznaczy, e tak due porowatoci w ciance o gruboci 10 mm w istotny sposób mog negatywnie wpływa na własnoci odlewu. Przykładowe obrazy rozmieszczenia porowatoci przedstawiono na rys. 6. Równoczenie w odlewie zaobserwowano pojawianie si porowatoci gazowych, czsto wystpujcych w postaci tzw. kompleksowej porowatoci skurczowo gazowej. Jak wida na rys. 7, wystpowanie porowatoci gazowej zaley take od gruboci cianki. W grubszej ciance o wiele chtniej lokuj si pcherze gazowe. Mikrostruktury cianek rónej gruboci wykazuj zmiany take w wielkoci stopnia rozdrobnienia. cianka o gruboci 1,7 mm znacznie szybciej krzepnie, ni cianka o gruboci 5 czy 10 mm, zatem i mikrostruktura jest bardziej rozdrobniona. 291

(a) (b) (c) Rys. 6. Porowatoci w odlewie cinieniowym ze stopu AZ91D w ciankach o grubociach (a) 1,7 mm, (b) 5 mm oraz (c) 10 mm Fig. 6. Porosity in die casting of AZ91D alloy evidenced in wall thickness: (a) 1,7 mm, (b) 5 mm and (c) 10 mm (a) (b) (c) Rys. 7. Pcherze gazowe w odlewie cinieniowym ze stopu AZ91D w ciankach o grubociach (a) 1,7 mm, (b) 5 mm oraz (c) 10 mm Fig. 7. Bubbles in die casting of AZ91D alloy evidenced in wall thickness: (a) 1,7 mm, (b) 5 mm and (c) 10 mm (a) (b) Rys. 8. Mikrostruktury badanego odlewu w ciankach o grub. (a) 1,7 mm oraz (b) 5 mm Fig. 8. Microstructures of tested die casting walls of different thicknesses: (a) 1,7mm and (b) 5mm 292

Poniej przedstawiono wykres zmian odległoci miedzy ramionami dendrytów w zalenoci od gruboci cianek. W ciance o gruboci 10 mm odległo midzy ramionami dendrytów jest prawie dwukrotnie wiksza ni w ciance o gruboci 1,7 mm. 12 Odległo midzy ramionami dendr. [µm] 10 8 6 4 2 0 1.7 5 10 Grubo cianki [mm] Rys. 9. Wykres zmian odległoci midzy ramionami dendrytów dc w zalenoci od gruboci cianki odlewu cinieniowego ze stopu AZ91D Fig. 9. Diagram of distance existing between the dendrite arms dc in casting made of AZ91D alloy vs. casting s wall thickness 5. WPŁYW ODLEGŁOCI OD SZCZELINY WLEWOWEJ NA STRUKTUR ODLEWU Próbki do bada pobrano kolejno z trzech miejsc wlewu głównego oraz z czterech miejsc z odlewu. Za odległo zerow przyjto połoenie szczeliny wlewowej. Oceniajc zdjcia makrostruktur mona zauway pewn prawidłowo dotyczc widocznych tu pcherzy gazowych. We wlewie głównym brak jest pcherzy gazowych. W samym odlewie wraz ze zwikszeniem odległoci od szczeliny wlewowej wyranie wzrasta ilo i wielko pcherzy gazowych. Wydaje si zrozumiałe, e ciekły metal wpływajc do formy przepycha znajdujcy si tam gaz mieszajc si z nim. Zatem we wlewie bdzie bardzo czysty metal, natomiast w odlewie zagazowanie bdzie wzrasta wraz z odległoci od szczeliny. Jak wida na rysunku 10, wlew został dobrze zaprojektowany, przekroje zmniejszaj si wraz ze zblianiem do odlewu, zatem prdkoci zwikszaj si bardzo płynnie, zapewniajc nie zaburzony dopływ metalu. 293

Rys. 10. Umiejscowienie próbek do bada (strona lewa); rysunek wlewu głównego wraz z obliczonymi polami przekroju dla kilku wybranych wysokoci wlewu (strona prawa) Fig. 10. The location of samples for testing (left side); drawing of main sprue along with caculated values of cross section areas for chosen heights of the sprue (right side) (a (b (c (d (e (f (g Rys. 11. Mikrostruktura odlewu ze stopu AZ91D w zalenoci od odległoci od szczeliny wlew.: (a) 160 mm, (b) 95 mm, (c) 5 mm, (d) +15 mm, (e) + 50 mm, (f) +80 mm, (g) + 120 mm Fig. 11. Microstructure of die casting of AZ91D alloy vs. distance from the slot of gate system: (a) 160 mm, (b) 95 mm, (c) 5 mm, (d) +15 mm, (e) + 50 mm, (f) +80 mm, (g) + 120 mm 294

Zdjcia mikrostruktur przedstawione na rys. 11 potwierdzaj rozwaania dotyczce porowatoci. Wysze temperatury i grubsza cianka powoduj swobodniejszy wzrost krystalitów. W miar wzrostu krystalitów pojawiaj si problemy dobrego zasilenia wszystkich przestrzeni midzykrystalicznych, gdzie pojawiaj si porowatoci. 6. WNIOSKI Z analizy wpływu prdkoci drugiej fazy wtrysku, gruboci cianki oraz odległoci od szczeliny wlewowej na struktur i jako odlewu ze stopu magnezu AZ91D mona wysnu nastpujce wnioski: zwikszenie prdkoci w drugiej fazie wtrysku powoduje nieznaczny wzrost wytrzymałoci na rozciganie i stabilniejsze wyniki, struktura odlewu jest bardziej rozdrobniona, wiksza grubo cianki odlewu w sposób bardzo wyrany zwiksza odległoci midzy ramionami krystalitów, a take powoduje wystpowanie porowatoci skurczowej i ułatwia lokowanie si pcherzy gazowych, rozkład porowatoci skurczowej we wlewie i odlewie jest uwarunkowany temperatur formy i metalu; pcherze gazowe nie wystpuj we wlewie, natomiast w odlewie wzrasta ich ilo wraz z odległoci od szczeliny wlewowej. LITERATURA [1] Magnesium Die Casting Handbook. NADCA (1998). [2] A. Oniszczuk, S. Rzadkosz: Analiza jakoci odlewów ze stopów magnezu. Materiały XXIX konferencji naukowej z okazji wita odlewnika 2005. Wydział Odlewnictwa AGH. Kraków (2005). [3] PN-EN 1753, Magnez i stopy magnezu. PKN (2001). [4] J. Dako, Maszyny i urzdzenia do odlewania pod cinieniem. Wydawnictwa AGH, Kraków (2000). [5] M. M. Avedesian, H. Baker: Magnesium and Magnesium Alloys. ASM International (1999). [6] Die casting defects. NADCA. 295

INFLUENCE OF DIE CASTING PARAMETERS ON THE MICROSTRUCTURE OF AZ91D ALLOY CASTS INTO DIE MOULD SUMMARY The paper presents the influence of die casting parameters on the microstructure of AZ91D alloy casts into die mould in hot-chamber die casting machine WEMH 400. During tests the liquid magnesium velocity in second phase of die machine were changed and the corresponding mechanical properties and microstructure of AZ91 die casting were investigated taking into account the influence of wall thickness and distance from the gate slot system. Differences between experience results were discussed on the bases of changes of the microstructure and locating of porosity. Praca realizowana w ramach projektu badawczego nr 10.170.133 Recenzował: prof. Józef Dako. 296