15/6 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2002, Rocznik 2, Nr 6 Archives of Foundry Year 2002, Volume 2, Book 6 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 BADANIA FRONTU KRYSTALIZACJI DWUSKŁADNIKOWYCH STOPÓW Al Si W KANAŁACH METALOWYCH FORM ODLEWNICZYCH J. MUTWIL 1, R. JANOWSKI 2, M. MICHALSKI 3, Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego ul. Podgórna 50, 65-246 Zielona Góra STRESZCZENIE Dla aluminium i jego stopów z krzemem przedstawiono skaningowe obrazy frontu krystalizacji strugi krzepnącej w kanale formy metalowej. Key words: metal flow, aluminum-silicon alloys, SEM - micrographs of crystallization interface 1. WPROWADZENIE Badania krystalizacji płynących metali i stopów prowadzono, próbując- w ramach badań nad lejnością- ustalić mechanizm blokowania przepływu. Początkowo zakładano dwa podstawowe mechanizmy krzepnięcia [1]. Czystym metalom i stopom o wąskim zakresie temperatur krystalizacji przypisywano krzepnięcie kierunkowe, w którym na ściankach kanału pojawiała się warstwa pierwszych kryształów, rozrastających się w dalszej kolejności w kierunku jego osi. Stwierdzono jednocześnie, że czyste metale wykazują gładkościenny front wzrostu (krystalizacja komórkowa), który - w miarę dodawania pierwiastków stopowych - wykazuje tendencje do wzrostu komórkowodendrytycznego (krzepnięcie chropowatościenne). Stopom o szerokim zakresie temp e- ratur krzepnięcia przypisywano tendencję do wydzielania kryształów w objętości strugi, które - gromadząc się w obszarze jej czoła - powodowały ostatecznie blokadę przepływu. Ta abstrahująca od warunków krystalizacji klasyfikacja okazała się zbyt uproszczo- 1 dr hab. inż., prof. UZ, j.mutwil@iipm.uz.zgora.pl 2 mgr inż., r.janowski@iipm.uz.zgora.pl 3 mgr inż., m.michalski@iipm.uz.zgora.pl 141
na, a kolejne prace wykazały możliwość mieszanego typu krzepnięcia strugi [2]. Poniżej zaprezentowano ilustracje frontu krystalizacji strugi aluminium i dwuskładnikowych stopów Al - Si w kanale 16 mm formy metalowej. 2. OPIS BADAŃ Front krystalizacji badano na mikroskopie JSM-5600 LV, a próbki pochodziły z badań wykonanych na stanowisku przedstawionym w pracy [3] tego numeru Archiwum Odlewnictwa. Skorupy próby wylewania resztek uzyskano, likwidując w trakcie płynięcia nadciśnienie w komorze pieca i wyciągając jednocześnie zatyczkę z otworu 12 mm wywierconego na płaszczyźnie podziałowej wnęki wstępnej (w [3] na rys.1 ukazano inną wersję wnęki wstępnej). Ilustracje skorup z próby wylewania resztek (kolumna SWR) oraz skaningowe obrazy powierzchni czoła swobodnie zakrzepłej strugi (kolu m- na I) i powierzchni wewnętrznej skorup (kolumna II) zestawiono w tabeli 1. Z uwagi na pełne wykorzystanie stron, niektóre wiersze tabeli 1 przedzielono opisami. Tabela 1. Ilustracje frontu krystalizacji Table. 1. Illustrations of solidification interface Oznaczenie stopu 1) SWR Front krystalizacji obraz SEM I) Powierzchnia czoła II) Powierzchnia boczna A0 142
ARCHIWUM ODLEWNICTWA 2) 0.8 3) 1.6 143
4) 5.2 5) 6.4 Zamieszczone ilustracje skorup potwierdzają kierunkowy w warunkach eksperymentu charakter krystalizacji wszystkich zbadanych metali. Nie wyklucza to oczywiście mo ż- liwości mieszanego typu ich krzepnięcia. W sensie makroskopowym krzepnięcie st o- pów nadeutektycznych było chropowatościenne. Pozostałe stop y krzepły gładkościennie, a większe nierówności powierzchni występowały w obszarze czoła strugi (górna część skorupy). Najmniejsze nierówności powierzchni widoczne są na próbce aluminium, aczkolwiek różnice w stosunku do pozostałych stopów pod- i okołoeutektycznych nie są duże. 144
ARCHIWUM ODLEWNICTWA 6) 7.0 7) 9.4 8) 11.7 BEI 145
Dla stopów podeutektycznych charakterystyczny jest paraboliczny profil krzepnięcia. Obserwacje w skali mikro dostarczają znacznie więcej informacji o krys talizacji strugi. Zarówno na swobodnie zakrzepłej powierzchni czoła strugi, jak i na wewnętrznych powierzchniach skorup wyraźnie są widoczne szczegóły frontu krystalizacji. Dla aluminium i stopów podeutektycznych, wraz ze wzrostem zawartości krzemu, nasila się tendencja do krystalizacji komórkowo-dendrytcznej. Do zawartości krzemu 9.4% na froncie krystalizacji widoczne są jedynie kryształy fazy. W pozostałych przypadkach uwidacznia się eutektyka, której towarzyszą dendryty pierwotnej fazy, bądź ścianowe kryształy fazy w przypadku stopów nadeutektycznych. 9) 12.5 10) BEI 18.0 BEI 146
ARCHIWUM ODLEWNICTWA 11) 21.4 BEI Znaczne nagromadzenie pierwotnych kryształów krzemu w obszarze czoła strugi obu n a- deutektycznych stopów świadczy o mieszanym typie ich krystalizacji. Podobnie nie można wykluczyć obecności swobodnych dendrytów fazy w czole strugi siluminów okołoeutektycznych. Obserwacja w skali mikroskopowej frontu krystalizacji na powierzchni wewnętrznej skorup siluminów nadeutektycznych wykazuje, że chropowaty w sensie makro front krzepnięcia wynika z powierzchniowej obecności kryształów krzemu pierwotnego. 3. PODSUMOWANIE Przedstawione wyniki badań wykazały przydatność mikroskopii skaningowej do analizy frontu krystalizacji metali i stopów w okresie przepływu. Obserwacje swobodnie zakrzepłego czoła strugi pozwalają ocenić etap krystalizacji bezpośrednio poprzedzający zatrzymanie przepływu, w tym mechanizm jego powstrzymania. Dla próbek, w których w obszarze czoła widoczne są wyraźnie ostre gałęzie dendrytów fazy, z wolnymi przestrzeniami pomiędzy nimi, można przyjąć, że miejsce zablokowania przepływu było usytuowane poniżej obszaru czoła. Dla próbek, w których kontury de n- drytów są rozmyte lub widoczne jest znaczne nagromadzenie fazy miejscem blokady przepływu był obszar czoła strugi. LITERATURA [1] Flemings M.C: Fluidity of metals-techniques for producing ultra-thin section castings, The British Foundryman, 57, 1964, s. 311-325. [2] Engler S., Lee Z.: Fließvermögen und Warmrißverhalten von Blei-Antimon- Legierung, Giesserei-Forschung, vol. 30, nr 3, 1978, s. 107-116. [3] Mutwil J., Janowski R.: Zdolność dwuskładnikowych stopów Al-Si do odwzorowania formy, Archiwum Odlewnictwa vol. 2, nr 6, 2002, s. 135-140. Badania prowadzono w ramach projektu badawczego Nr 7 T08B 032 16 finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach 1999-2001. 147
INVESTIGATIONS OF CRYSTALLIZATION INTERFACE BY SOLIDIFICA- TION OF BINARY ALUMINUM-S ILICON ALLOYS IN METAL CHANNELS OF FOUNDRY MOULDS SUMMARY For aluminum and aluminum-silicon alloys flowing and solidifying in metal mould channel the SEM-micrographs of crystallization interface have been presented. Recenzował: prof. dr hab. inż. Edward Guzik 148