17/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 WPŁYW MODYFIKACJI SODEM LUB STRONTEM NA MIKROSTRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI MECHNICZNE STOPU AlSi7Mg STRESZCZENIE W. ORŁOWICZ 1, M. MRÓZ 2, M. TUPAJ 3 Katedra Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu modyfikacji tytanem (0,140%Ti), borem (0,002%B) i sodem (0,010%Na, 0,020%Na) lub strontem (0,015%Sr, 0,060%Sr) na indeks gęstości i właściwości mechaniczne (R m, R 0,2, A 5 ) stopu AlSi7Mg, odlanego do formy metalowej. Wzrostowi zawartości sodu od 0,010% do 0,020% Na lub strontu od 0,015% do 0,060%Sr towarzyszy wzrost wielkości wydzieleń krzemu eutektycznego l max i wzrost odległości pomiędzy wydzieleniami krzemu w eutektyce λ E. Stwierdzono, że wraz ze wzrostem zawartości sodu lub strontu rośnie indeks gęstości stopu (porowatość). Efektem zmniejszenia porowatości stopu oraz zmniejszenia wielkości wydzieleń krzemu oraz odległości pomiędzy wydzieleniami krzemu w eutektyce jest wzrost właściwości mechanicznych stopu. Key words: Al-Si alloy, modification, structural parameters, index density, mechanical properties. 1. WSTĘP Modyfikację stopów Al-Si prowadzi się dla poprawy ich właściwości mechanicznych, a w szczególności plastyczności. Stosowane w tym celu dodatki sodu lub strontu wpływają na taką zmianę mikrostruktury, która sprzyja podwyższeniu właściwości mechanicznych. Z drugiej jednak strony dodatki te zwiększają tendencję stopu do tworzenia porowatości, co wpływa niekorzystnie na właściwości mechaniczne. 1 prof. dr hab. inż., aworlow@prz.rzeszow.pl 2 dr inż., mfmroz@prz.rzeszow.pl 3 mgr inż., mirek@prz.rzeszow.pl 117
Z uwagi na podatność sodu i strontu do utleniania rośnie ilość tlenków w stopie [1]. Tlenki te utrudniają przepływ metalu pomiędzy gałęziami dendrytów, a poprzez to zasilanie w mikroobszarach, co sprzyja tworzeniu mikroporowatości skurczowej [2]. Sód (0,005%Na) wywiera bardziej zdecydowany wpływ niż stront (0,023%Sr) w redukcji międzydendrytycznego przepływu metalu, co sprzyja wyższej porowatości skurczowej [3]. W pracy [4] wykazano, że kombinacja dodatku strontu i tytanu-boru (TiB 2 ) wpływa na wzrost ilości pęcherzy gazowych. Modyfikacja stopu Al7SiMg strontem lub sodem prowadzi do rozdrobnienia wydzieleń krzemu w eutektyce i zmiany jego kształtu z płytkowego na włóknisty [5,6]. Wpływa to na poprawę właściwości mechanicznych, a w szczególności plastycznych. Wzrost porowatości stopu wskutek wprowadzenia sodu lub strontu obniża właściwości mechaniczne stopu. W tej sytuacji korzystny z uwagi na właściwości mechaniczne efekt rozdrobnienia wydzieleń krzemu może być zniwelowany wskutek wzrostu porowatości. Dla obniżenia zwartości wodoru w stopie stosuje się zabieg rafinacji. Problemy związane z rafinacją stopów Al-Si dotyczą gazów użytych do rafinacji, skuteczności procesu rafinacji, zaniku efektu rafinacji i nadal są przedmiotem wielu prac naukowych. Wytwarzanie odlewów o minimalnej, dopuszczalnej porowatości gazowej wymaga kontroli jakości ciekłego metalu. Celem niniejszej pracy jest: wykazanie wpływu zawartości modyfikatora (sodu lub strontu) na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne stopu AlSi7Mg, wykazanie przydatności oceny indexu gęstości do kontroli jakości ciekłego metalu z uwagi na właściwości mechaniczne stopu AlSi7Mg. 2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ Przygotowanie materiału W badaniach stosowano stop AlSi7Mg0,3. Metal po przygotowaniu go w piecu gazowym przelano do dwóch oporowych pieców elektrycznych o pojemności 300 kg każdy. W obu piecach, przy temperaturze ciekłego metalu wynoszącej 710 o C, wykonano zabieg rafinacji preparatem Dursalit EG281, w ilości 0,3% masy wsadu. Po zakończeniu rafinacji usunięto żużel i tlenki z lustra ciekłego metalu i wykonano zabieg modyfikacji stopu tytanem i borem, z zastosowaniem jednakowych porcji zaprawy Al- Ti5B1. Następnie skontrolowano zawartość wodoru z zastosowaniem urządzenia AlScan. Wynosiła ona 100 ppm. W pierwszym piecu wykonano modyfikację stopu sodem metalicznym w ilości niezbędnej do uzyskania najpierw zawartości 0,010% Na, a potem zawartości 0,020% Na. W piecu drugim wykonywano modyfikację stopu strontem (zaprawą AlSr10) w ilości niezbędnej do uzyskania najpierw 0,015% Sr, a następnie 0,060% Sr. Dla każdego wariantu modyfikacji sodem lub strontem odlano próbki do badań (rys.1.). Metalowa forma była podgrzana do temperatury 420 o C. Skład chemiczny stopu po modyfikacji podaje tabela 1. 118
Obróbka cieplna odlewów Odlewy próbek obrobiono cieplnie przyjmując parametry stosowane w praktyce przemysłowej (przesycanie 535 o C /5h / woda o temperaturze 20 o C, starzenie 175 o C/ 5h/ powietrze). a) b) Rys. 1. Próbka do badań a), forma metalowa b) Fig. 1. Sample used in experiments a), permanent mould b) Tabela 1. Skład chemiczny stopu AlSi7Mg Table 1. Chemical composition of AlSi7Mg alloy Zawartość pierwiastków, % wag. Si Fe Cu Mn Mg Ti B Sr Na Al 7,10 0,25 0,04 0,10 0,30 0,14 0,0002-0,010 reszta 7,09 0,26 0,03 0,10 0,27 0,14 0,0002-0,020 reszta 7,10 0,23 0,03 0,10 0,30 0,14 0,0002 0,015 - reszta 7,08 0,23 0,03 0,10 0,28 0,14 0,0002 0,060 - reszta Badania właściwości mechanicznych Statyczną próbę rozciągania wykonano zgodnie z normą PN-EN10602-1 +AC1 na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej UTS10D z rejestracją komputerową. Stosowano próbki okrągłe o średnicy 10 mm. Określono wytrzymałość na rozciąganie R m, umowną granicę plastyczności R 0,2 i wydłużenie A 5. Wyniki są średnią z czterech prób. Badania struktury Z zastosowaniem mikroskopu optycznego Neophot 2, współpracującego z systemem analizy i przetwarzania obrazu MultiScan v. 08., określono maksymalną długość wydzieleń krzemu l max oraz odległość pomiędzy wydzieleniami krzemu w eutektyce λ E. Ocena stopnia zagazowania Na próbkach wyciętych z uchwytów próbek po badaniach właściwości mechanicznych 10mmx10mm oceniono gęstość stopu zgodnie z prawem Archimedesa, stosując w tym celu zestaw do wyznaczania gęstości ciał stałych WPS 510/C2, firmy RadWag. Gęstość oceniono z zależności: 119
m p ρ = ρc m m p p( c), g / cm gdzie: ρ - gęstość materiału, m p masa próbki w powietrzu, m p(c) masa próbki w cieczy, ρ c gęstość cieczy. Wskaźnikiem zawartości gazu w stopie jest indeks gęstości I określony z wyrażenia: ρ t ρ I = 100, % ρ gdzie: ρ t jest gęstością teoretyczną, ρ gęstość materiału. Przy obliczeniach gęstości teoretycznej przyjęto następujące wartości gęstości: ρ Al =2,70 g/cm 3, ρ Si =2,33 g/cm 3, ρ Fe =7,87 g/cm 3, ρ Mn =7,30 g/cm 3, ρ Mg =1,74 g/cm 3, ρ Na =0,97 g/cm 3, ρ Sr =2,60 g/cm 3, ρ Ti =4,54 g/cm 3. 3. WYNIKI BADAŃ Wyniki badań właściwości mechanicznych stopu AlSi7Mg0,3 modyfikowanego tytanem i borem oraz sodem lub strontem przedstawiono na rysunku 2. 3 Rys. 2. Wpływ zawartości sodu lub strontu na właściwości mechaniczne stopu AlSi7Mg Fig. 2. Effect of sodium and strontium additions on the mechanical properties of AlSi7Mg alloy 120
Uzyskane wyniki wskazują, że wzrostowi zawartości sodu od 0,010%Na do 0,020%Na odpowiada zmniejszenie wartości R m, R 0,2 i A 5. Również wzrostowi zawartości strontu od 0,015%Sr do 0,060%Sr odpowiada zmniejszeniu wartości R m, R 0,2 i A 5. Badania strukturalne Przykładowa mikrostruktura stopu AlSi7Mg w obszarach występowania porowatości przedstawiono na rysunku 3. Pory w próbkach ze stopu modyfikowanego Sr lub Na mają często kształt owalny, są różnej wielkości i nie zawsze wykazują morfologię międzydendrytyczną, co sugeruje, że ukształtowały się one w trakcie krystalizacji dendrytów, a częściowo w czasie krystalizacji eutektyki. Rys. 3. Typowa porowatość występująca w stopie AlSi7Mg modyfikowanym sodem lub strontem Fig. 3. Photomicrograph showing typical porosity in AlSi7Mg foundry alloy after sodium or strontium modification Oceniono również parametr strukturalny l max (maksymalna długość wydzieleń krzemu) oraz λ E (odległość pomiędzy wydzieleniami krzemu w eutektyce). Wpływ zawartości sodu lub strontu na wartości tych parametrów przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Wpływ zawartości sodu lub strontu na wartości parametru l max i λ E Fig. 4. The influence sodium or strontium additions on l max and λ E parameters 121
Uzyskane rezultaty wskazują, że wzrostowi zawartości sodu lub strontu, w analizowanym zakresie zmian, odpowiada podwyższenie wartości parametru l max i λ E. Parametry l max i λ E są bardziej wrażliwy na zmianę zawartości sodu. W związku z tym że tworzeniu pęknięć krótkich w stopach AlSiMg sprzyjają duże wydzielenia krzemu to obniżenie wartości szczególnie parametru l max sprzyjać będzie poprawie właściwości mechanicznych stopu. Taki wpływ mikrostruktury wyjaśnia najwyższe wartości właściwości mechanicznych dla stopu modyfikowanego sodem. Ocena stopnia zagazowania Wpływ zawartości sodu lub strontu na wartość indexu gęstości stopu AlSi7Mg przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Wpływ zawartości sodu lub strontu na index gęstości stopu AlSi7Mg Fig. 5. Effect of Na and Sr content on density index of AlSi7Mg alloy Uzyskane wyniki pozwalają stwierdzić, że wzrostowi zawartości sodu lub strontu odpowiada wzrost indexu gęstości. Index gęstości wykazuje podobną wrażliwość na przyrosty zawartości sodu lub strontu. Wzrost porowatości stopu powoduje obniżenie właściwości mechanicznych stopu. Szczególnie niebezpieczne są nieciągłości z ostrymi występami na powierzchni, ponieważ na takich nieciągłościach zarodkują pęknięcia. Związek pomiędzy indexem gęstości, a wytrzymałością na rozciąganie i umowną granicą plastyczności przedstawiono na rysunku 6. Dla stosowanego w pracy zakresu zmian zawartości modyfikatorów najmniej korzystną wartość indexu gęstości uzyskano dla strontu. Uzyskane zależności potwierdzają niekorzystny wpływ nieciągłości materiału na właściwości mechaniczne stopu. Wraz ze wzrostem wartości indexu gęstości maleją wartości R m i R 02 stopu AlSi7Mg. 122
Rys. 6. Wpływ wartości indexu gęstości stopu na wartość R m i R 0.2 stopu AlSi7Mg Fig. 6. Effect of density index on YS and UTS of AlSi7Mg alloy 4. PODSUMOWANIE Stwierdzono, że wzrostowi zawartości sodu (od 0,010% do 0,020% Na) lub strontu (od 0,015% do 0,060% Sr) w stopie Al7SiMg odpowiada podwyższenie wartości parametru l max i λ E wydzieleń krzemu w eutektyce. Parametry l max i λ E są bardziej wrażliwe na zmiany zawartości sodu. W związku z tym, że tworzeniu pęknięć krótkich sprzyjają duże wydzielenia krzemu to obniżenie wartości parametru l max będzie sprzyjać poprawie właściwości mechanicznych. Najkorzystniejsze wartości parametru l max, a tym samym najkorzystniejsze właściwości mechaniczne uzyskano w przypadku modyfikacji stopu sodem (0,010% Na). Przedstawione wyniki badań wskazują na przydatność oceny wartości indexu gęstości do oceny jakości ciekłego stopu. Wraz ze wzrostem indexu gęstości (porowatości) stopu maleją jego właściwości mechaniczne. Wraz ze wzrostem zawartości sodu lub strontu index gęstości rośnie. W stosowanym zakresie zawartości modyfikatorów mniejszą porowatość uzyskano dla stopu modyfikowanego sodem. Najmniejszą porowatość uzyskano w przypadku stopu zawierającego 0,010 %Na, a największą w przypadku stopu zawierającego 0,060% Sr. Pory w stopie modyfikowanym sodem lub strontem mają często kształt owalny, są różnej wielkości i nie zawsze wykazują morfologię międzydendrytyczną, co sugeruje, że ukształtowały się one w trakcie krystalizacji dendrytów, a częściowo w trakcie krystalizacji eutektyki. LITERATURA [1] Liu L., Samuel A.M., Samuel F.H.: Role of strontium oxide on porosity formation in Al-Si casting alloys. AFS Transactions, 2002, vol. 139, 1-14. [2] Fuoco R., Correa E.R., Goldenstein H.: Effect of modification treatment on microporosity formation in A356 alloy. Part I: Interdendritic feeding evaluation. AFS Transactions, vol. 9104, 1996, 1151-1157. 123
[3] Fuoco R., Correa E.R., Correa A.V.O.: On the effect of modification treatment on microporosity formation in 356 aluminum alloy studied by quenching during solidification technique. AFS Transactions, 1995, vol. 103, 379-388. [4] Lee P.D., Sridhar S.: Direct observation on the effect of strontium on porosity formation during solidification of aluminum-silicon alloys. Int. Journal of Cast Metals Res, 2000, vol.13, 185-198. [5] Alam Najafabadi M.A., Ourdjini A., Elliot R.: Impurity modification of aluminumsilicon eutectic alloys. Cast Metals, vol. 8, No 1, 43-50. [6] Alam Najafabadi M.A., Khant S., Ourdjini A., Elliot R.:The flake-fibre transition in aluminum-silicon eutectic alloys. Cast Metals, vol. 8, No 1, 35-42. Pracę wykonano w ramach umowy U-6583/DS realizowanej w Politechnice Rzeszowskiej. SUMMARY EFFECT OF MODIFICATION WITH SODIUM OR STRONTIUM ON MICROSTRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF AlSi7MG ALLOY Results of the effect of modification with titanium (0.14%Ti), boron (0.002%B) and sodium (0.010%Na, 0.020%Na) or strontium (0.015%Sr, 0.060%Sr) on the density index and mechanical properties (R m, R 0.2, A 5 ) of the AlSi7Mg alloy cast to metal molds/dies are presented. Increased content of sodium, from 0.010% to 0.020% of Na or strontium from 0.015% to 0.060%Sr, is accompanied by the growth of the size of eutectic silicon precipitates, l max, and the growth of spacing between silicon precipitates in the λ E eutectic. The density index of the alloy (porosity) was found to grow with increased content of sodium or strontium. The effect of the reduced porosity of the alloy, as well as that of the reduced size of precipitates and distances between silicon precipitates in the eutectic, is better mechanical properties of the alloy. Recenzował: Prof. Stanisław Rzadkosz 124