28/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 ODLEWANIE KÓŁ SAMOCHODOWYCH Z SILUMINÓW S. PIETROWSKI 1 Politechnika Łódzka, Katedra Systemów Produkcji ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź STRESZCZENIE W pracy wykazano, że niewłaściwe zmodyfikowanie strontem krzemu w gąskach, powodujące pozostanie jego wydzieleń w postaci płytek, powoduje po ich przetopieniu obniżenie własności plastycznych (R p0,2, A 5 ) siluminów. Spowodowane jest to obecnością w siluminie nierozpuszczonych i w dalszym ciągu niezmodyfikowanych płytek krzemu. Uniemożliwiają one uzyskanie wymaganych własności plastycznych kół samochodowych odlewanych z siluminów pod niskim ciśnieniem. Key words: road wheel, silumin, modification 1. WSTĘP Stront jest pierwiastkiem powodującym trwałą modyfikację siluminów. Jego działanie polega na neutralizacji cząstek AlP znajdujących się w ciekłym siluminie poprzez utworzenie związku Sr 3 P 2. Nadmiar strontu niezbędnego do związania fosforu powoduje utworzenie kruchych i twardych faz międzymetalicznych SrSi 2 (przy Sr 0,12%) oraz AlSrSi 2 (przy Sr 0,20%). Ze względu na wiązanie fosforu przez stront, po jego wprowadzeniu do ciekłego siluminu, wymagany jest pewien okres inkubacji wynoszący od 0,5-2h w zależności od zawartości fosforu. Przy zawartości P 5ppm efekt modyfikacji strontem uzyskuje się już po kilku minutach. Zawartość strontu niezbędna do uzyskania właściwego efektu modyfikacji w siluminach powinna być w zakresie 0,02-,010% i zależy od ilości fosforu, krzemu oraz szybkości stygnięcia odlewów. Przypuszcza się, że stront powoduje zmianę krystalizacji kryształów krzemu z atomowo-gładkiego frontu na atomowo-szorstki o dużej gęstości bliźniaków 1 prof. dr hab. inż., akgolnik@ck-sg.p.lodz.pl
211 powodujących zmianę kryształów ścianowych krzemu na włókniste. W konsekwencji wzrastają własności mechaniczne i plastyczne stopu [1-6]. Koła samochodowe (felgi) odlewane są z siluminów modyfikowanych strontem oraz tytanem i borem, pod niskim ciśnieniem w kokili. Do odlewania kół najczęściej stosuje się siluminy o składzie chemicznym podanym w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny siluminów na koła samochodowe Table 1. Chemical composition of road wheels silumins Skład chemiczny, % Oznaczenie Si Mg Cu max Fe max Ti max AlSi7Mg 6,50-7,50 0,25-0,45 0,05 0,18 0,20 0,04 AlSi9Mg 9,00-10,00 0,25-0,45 0,05 0,25 0,20 0,04 AlSi11Mg 9,00-11,80 0,15-0,40 0,05 0,25 0,20 0,04 Sr max Charakteryzują się one bardzo niską zawartością miedzi i żelaza, co wynika przede wszystkim z wymaganej wysokiej wartości wydłużenia A 5. Kokile podgrzewane są wstępnie do temperatury 430-460 C. W pierwszej fazie odlewania na lustro ciekłego siluminu wywiera się ciśnienie 0,08MPa, a w drugiej 0,10-0,12MPa. W tej fazie, temperatura kokili wzrasta do wartości około 550 C. Powoduje to małą szybkość stygnięcia, szczególnie węzłów cieplnych tj. połączenia szprychy z kołnierzem i rozetą, oraz samej szprychy jako najgrubszego elementu koła. W związku z tym, te obszary kokili chłodzi się najczęściej punktowo rurkami miedzianymi wypełnionymi wodą. Czas zalewania koła zawiera się w zakresie 2,7-3,2s. Z powyższego wynika, że proces odlewania kół pod niskim ciśnieniem charakteryzuje się: zapełnieniem wnęki formy od dołu, laminarnym przepływem ciekłego metalu w układzie wlewowym i wnęce formy oraz bardzo dobrym zasilaniem odlewu. Wymagane własności mechaniczne kół samochodowych w zależności od rodzaju pojazdu, mocy silnika i stosowanej lub nie obróbki cieplnej są następujące: - obrabiane cieplnie: kołnierz i szprycha Rm=220-340MPa, R p0,2 =160-280MPa, A 5min kołnierz =7,0%, A 5min szprycha =4,0%, HB min =80-115, - nieobrabiane cieplnie: kołnierz i szprycha Rm min =160MPa, R p0,2min =120MPa, A 5min kołnierz =7,0%, A 5min szprycha =4,0%, HB min =60. Z przedstawionych danych wynika, że niezależnie od tego, czy jest lub nie stosowane przesycanie i starzenie kół, wymagania wydłużenia kołnierza i szprychy są jednakowe. Koła nieobrabiane cieplnie mogą posiadać tylko mniejszą Rm i HB. Po obróbce cieplnej kół nie ma problemu z otrzymywaniem wymaganych własności, szczególnie umownej granicy plastyczności R p0,2 i wydłużenia A 5. Dla kół nieobrabianych cieplnie istotnym problemem jest uzyskiwanie wymaganego wydłużenia kołnierza (A 5min =7,0%) i szprychy (A 5min =4,0%).
212 Celem pracy było ustalenie przyczyn obniżonych własności plastycznych kół samochodowych nieobrabianych cieplnie odlewanych z siluminów modyfikowanych strontem i sposobu ich zlikwidowania. Rozwiązanie problemu przedstawiono na przykładzie siluminu AlSi7Mg, pomimo, że badania przeprowadzono także dla siluminów AlSi9Mg i AlSi11Mg. 2. WYNIKI BADAŃ WŁASNYCH Przykładowe koło samochodowe z siluminu z zaznaczonymi miejscami pobierania próbek metalograficznych i do badań własności mechanicznych pokazano na rysunku 1. kołnierz szprycha próbka próbka rozeta próbka Rys. 1 Przykład koła samochodowego z siluminu Fig. 1 Example road wheel with silumin
213 Skład chemiczny badanych siluminów przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Skład chemiczny badanych siluminów Table 2. Chemical composition of research silumins Skład chemiczny, % Oznaczenie Si Mg Ni Cu Sr Ti B P AlSi7Mg 7,27 0,35 0,004 0,02 0,038 0,162 0,002 0,0003 AlSi9Mg 9,25 0,38 0,005 0,01 0,032 0,141 0,002 0,0003 AlSi11Mg 10,72 0,31 0,004 0,005 0,037 0,103 0,002 0,0004 Zn Sn Cr Ca Na V Fe Mn AlSi7Mg 0,01 0,00004 0,0003 0,0007 0,0004 0,007 0,11 0,05 AlSi9Mg 0,01 0,00003 0,0002 0,0005 0,0003 0,006 0,15 0,02 AlSi11Mg 0,01 0,00004 0,0003 0,0006 0,0004 0,006 0,10 0,01 Siluminy wytapiano z gąsek odpowiednich stopów zmodyfikowanych w hucie strontem, którego zawartość zawierała się w zakresie 0,022-0,026%. Gąski przetapiano w piecu indukcyjnym tyglowym o pojemności 1t. Po ich stopieniu i przegrzaniu siluminów do temperatury 870±10 C przelewano je do kadzi odlewniczej o pojemności 1t, w której przeprowadzano uzupełniający zabieg modyfikacji strontem dodawanym w postaci AlSr5 oraz wprowadzano zaprawę AlTi5B1 w ilościach zapewniających przekroczenie dopuszczalnych zawartości w stopach. Następnie siluminy rafinowano 10min. argonem, po czym przelewano do pieców wytrzymujących z kokilami. Temperatura odlewania kół zawierała się w zakresie 730-750 C. Czas odlewania kół z pieca wytrzymującego wynosił 8h.
214 Przeprowadzone badania metalograficzne kołnierza, szprychy i rozety wykazały występowanie w nich wydzieleń krzemu (fazy β) niezmodyfikowanego, co przykładowo pokazano na rysunku 2 (a, b). a) Szprycha a) Wheel arm b) Kołnierz b) Collar Rys. 2. Mikrostruktura koła samochodowego z siluminu AlSi7Mg w obszarze: szprychy (a) i kołnierza (b): faza α, AlSiFe, eutektyka α+β+ AlSiFe, α+β+mg 2 Si. Fig. 2. Microstructure of road wheel from silumin AlSi7Mg in area: wheel arm (a) and collar (b): α phase, AlSiFe, eutectic α+β+ AlSiFe, α+β+mg 2 Si.
215 W obszarze szprychy, która stygnie wolniej od kołnierza wydzielenia krzemu w eutektyce są większe (rys. 2a) niż w obszarze kołnierza (rys. 2b). Również większe są wydzielenia płytkowe krzemu. Płytkowe wydzielenia fazy β występują zarówno w kołach odlewanych na początku jak i na końcu zmiany. Nie zmieniła ich również dodatkowa modyfikacja Sr w piecu wytrzymującym po 4h procesu odlewania. Wykonane badania wykazały, że w zależności od rodzaju koła, do osiągnięcia temperatury likwidus, kołnierz stygnie z szybkością 35-40 C/s, a szprycha z szybkością 22-25 C/s. W okresie krystalizacji kołnierz stygnie z szybkością 1,8-2,0 C/s, a szprycha 0,6-0,9 C/s. Uzyskiwane szybkości stygnięcia powinny zapewnić pełny efekt modyfikacji krzemu, którego jednak nie otrzymano. Stwierdzono, ze przyczyną tego zjawiska jest występowanie płytek niezmodyfikowanego krzemu w gąsce jak to przykładowo pokazuje rysunek 3. a) Od strony wlewnicy a) Bearing surface
216 b) Powierzchnia górna b) Free surface Rys. 3. Mikrostruktura gąski AlSi7Mg: faza α, AlSiFe, eutektyka α+β+ AlSiFe, α+β+mg 2 Si. Fig. 3. Microstructure of pig sow AlSi7Mg: α phase, AlSiFe, eutectic α+β+ AlSiFe, α+β+mg 2 Si. W procesie przetapiania gąsek, że względu na niską temperaturę przegrzania siluminu (870±10 C) oraz krótki czas wytrzymania w piecu topialnym, niektóre płytki krzemu nie ulegają rozpuszczeniu w fazie α, również w piecach wytrzymujących. W efekcie, te płytki nierozpuszczonego krzemu są niezmodyfikowane.
217 Występują one również po zwiększeniu szybkości stygnięcia siluminu do 60 C/s, jak również ilości dodawanego strontu, do końcowej zawartości w siluminie 0,08%Sr co przedstawiono odpowiednio na rysunku 4 i 5. Rys. 4. Mikrostruktura siluminu AlSi7Mg po zwiększeniu szybkości stygnięcia do 60 C/s: faza α, AlSiFe, eutektyka α+β+ AlSiFe, α+β+mg 2 Si. Fig. 4. Microstructure of silumin AlSi7Mg after boost of speed of self cooling for 60 C/s: α phase, AlSiFe, eutectic α+β+ AlSiFe, α+β+mg 2 Si.
218 Rys. 5. Mikrostruktura siluminu AlSi7Mg po modyfikacji zwiększoną ilością Sr (zawartość w stopie 0,08% Sr): faza α, AlSiFe, eutektyka α+β+alsife, α+β+mg 2 Si. Fig. 5. Microstructure of silumin AlSi7Mg after modification accrued amount of Sr (contents in alloy 0.08 %Sr): α phase, AlSiFe, eutectic α+β+ AlSiFe, α+β+mg 2 Si.
219 Płytkowe wydzielenia krzemu niezmodyfikowanego obniżają własności plastyczne siluminu jak to przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6. Wykres naprężenie-odkształcenie siluminu AlSi7Mg (0,036% Sr) Fig. 6. Diagram of tension-deformation of silumin AlSi7Mg (0,036% Sr) Granica plastyczności R p0,2 =116,4MPa, a wydłużenie A 5 =2,7% i są mniejsze od dopuszczalnych (R p0,2min =120MPa, A 5min =4,0%).
220 Wzrost ilości Sr do 0,08% spowodował zwiększenie Rm do 198,9MPa, R p0,2 =118,8MPa i A 5 do 4,9%, co pokazano na rysunku 7 (mikrostruktura siluminu rys. 5). Rys. 7. Wykres naprężenie-odkształcenie siluminu AlSi7Mg (0,08% Sr) Fig. 7. Diagram of tension-deformation of silumin AlSi7Mg (0,08% Sr) W tym przypadku uzyskano wymagane wydłużenie A 5, ale R p0,2 jest niższa od dopuszczalnej. Podobny efekt otrzymano w przypadku zwiększonej szybkości stygnięcia stopów. Wynika stąd, że obecność w gąskach krzemu płytkowego (niezmodyfikowanego) uniemożliwia jego modyfikację strontem po przetopieniu gąsek i przegrzaniu siluminu do 870±10 C. Przeprowadzone badania wykazały, że możliwe jest jego rozpuszczenie w temperaturze 950 C w czasie 1h. Zabieg ten jest jednak wysoce kosztowny i niechętnie realizowany w odlewniach. W związku z tym jedyną możliwością uzyskania stosunkowo wysokich własności plastycznych siluminów otrzymywanych w wyniku przetapiania gąsek jest ich poprawna modyfikacja strontem w hucie tj. niewystępowanie krzemu płytkowego. Przedstawione powyżej problemy wystąpiły również dla kół odlewanych z siluminów AlSi9Mg i AlSi11Mg. Zmiana producenta gąsek, w których wszystkie wydzielenia krzemu były włókniste oraz zastosowanie dodatkowego chłodzenia kokil zwiększającego szybkość stygnięcia
221 kołnierza, szprychy i rozety spowodowały dla podanej poprzednio technologii przygotowania ciekłych siluminów uzyskanie znacznie wyższych od wymaganych wartości R p0,2 150MPa i A 5kołnierza 8,0%, oraz A 5szprychy 5,0%. 3. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy badań wynikają następujące wnioski: - modyfikacji strontem podlega krzem krystalizujący z cieczy, - obecność w gąskach płytkowych wydzieleń krzemu nierozpuszczonych w ciekłej fazie α w procesie ich przetapiania, a w związku z tym i niezmodyfikowanych, obniża własności plastyczne siluminów, - konieczna jest kontrola mikrostruktury gąsek zmodyfikowanych Sr w hucie. LITERATURA [1] S. Pietrowski: Siluminy. Wydawnictwo PŁ, Łódź (2001). [2] Z. Górny: Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT, Warszawa (1992). [3] P. Wasilewski: Siluminy-modyfikacja i jej wpływ na strukturę i właściwości. Monografia PAN Komisja Odlewnictwa, z. 21 (1993). [4] T. Tomczak, H. Leda: Wpływ strontu na strukturę obrabianych cieplnie stopów aluminum typu Al10SiO,3Mg. Krzepnięcie Metali i Stopów, z. 40, s. 236 (1999). [5] P. Blenko, P. Skocovsky: Modyfikovanie siluminu AlSi10MgMn. Acta Metallurgica Slovaca, z. 2, s. 391 (1999). [6] F. Romankiewicz: Modyfikacja siluminu AK12. Krzepnięcie Metali i Stopów, z. 43, s. 487 (2000). Pracę wykonano w ramach realizacji projektu celowego Nr 10 T08 080 2001 C/5426. SUMMARY CASTING ROAD WHEEL WITH SILUMINS In the paper have reveal incomplete modifying with strontium pigs causes standing part of plate apportionments of silicon. The stay after meltdowns of the pigs also. They make impossible obtainment of required plastic properties of road wheel in consequence. Recenzował Prof. Stanisław Jura