71/2 Archives of Foundry, Year 2001, Volume 1, 1 (2/2) Archiwum Odlewnictwa, Rok 2001, Rocznik 1, Nr 1 (2/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 OPTYMALIZACJA PARAMETRÓW OBRÓBKI CIEPLNEJ SILUMINU ALSi17 J. PIĄTKOWSKI 1, F. BINCZYK 2 Katedra Technologii Stopów Metali i Kompozytów, Politechnika Śląska, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 8, Polska STRESZCZENIE Badania przedstawione w pracy stanowią przesłankę optymalizacji parametrów obróbki cieplnej dokonanej w oparciu o dane empiryczne badanych właściwości mechanicznych tj.: twardość HB, wytrzymałość na rozciągnie R m oraz wydłużenie A 5. Wyznaczenie optymalnych parametrów obróbki cieplnej, dokonano na przykładzie stopu AlSi17Cu3Mg jako tworzywa z głównym przeznaczeniem na elementy tłoków i głowic silników spalinowych. Optymalizację przeprowadzono dla siluminu odlanego do kokili stalowej, w stanie surowym oraz po modyfikacji fosforem (Cu-P) i po obróbce cieplnej polegającej na przesycaniu i starzeniu. Key words: Al-Si alloy, optimisation, heath treatment, and mechanical properties. 1. WPROWADZENIE Przy projektowaniu i analizie zagadnień odlewniczych zachodzi często potrzeba weryfikacji danych wynikowych, obiektywnymi metodami prawdziwości hipotezy opartej na przesłankach teoretycznych. Do tego celu niezbędnym narzędziem jest statystyka [1]. Wiąże się ona z wykorzystaniem matematycznych podstaw rachunku prawdopodobieństwa do opisu ilościowego i metod wnioskowania zjawisk zachodzących w całej zbiorowości statystycznej po zbadaniu tylko pewnej jej populacji. Dla potwierdzenia uzyskanych wyników stosuje się często współczesne metody statystyki opisowej [2] a programem najbardziej uniwersalnym do tego celu jest arkusz kalkulacyjny Microsoft Excel 97 [3]. 1 dr inż. 2 dr hab. inż. prof. Pol. Śl.
2. CEL BADAŃ Celem pracy było dokonanie standaryzacji badanych właściwości mechanicznych w oparciu o ich wartości empiryczne siluminu nadeutektycznego AlSi17Cu3Mg. Optymalizacji cech wynikowych badanego stopu dokonano w stanie po odlaniu oraz po modyfikacji fosforem, poddanego obróbce cieplnej polegającej na przesycaniu i starzeniu. Przyjęto zasadę, iż najlepszymi właściwościami wytrzymałościowymi będzie charakteryzował się stop, którego suma wartości standaryzowanych badanych parametrów (HB, R m oraz A 5 ) będzie przyjmowała maksymalne wartości. Założenie to wynika z tego względu, iż technologom często zależy na tym, aby tworzywo konstrukcyjne charakteryzowało się maksymalnym zespołem właściwości mechanicznych ze względu na jego zastosowanie. 3. METODYKA BADAŃ Do badań wytypowano 3 siluminy różniące się procentową zawartością krzemu od ~16,5 do ~18,5%wag. Si z dodatkiem ~3%wag. Cu oraz ~1%wag. Mg. Rafinacji dokonano preparatem RAFGLIN-3 w ilości 0,3% wag. w stosunku do masy stopu, natomiast modyfikację przeprowadzono fosforem w ilości 0,05%wag. w postaci zaprawy Cu-P, w temperaturze 820 o C. Technologię otrzymywania siluminów o pośredniej zawartości krzemu przedstawiono w pracy [4]. Właściwości mechaniczne określono na próbkach odlewanych do kokili stalowej o wymiarach Ø10 100mm. Wyniki analizy składu chemicznego badanych stopów, wykonane na Quantometrze ARL 4140, przedstawiono w tabeli 1. Pomiary twardości prowadzono na twardościomierzu Rockwel-Brinell typu 15002P, kulką o średnicy 5mm obciążoną siłą 2500N w czasie 35s. Wytrzymałość na rozciąganie prowadzono na maszynie wytrzymałościowej FPZ10 firmy Heckert przy maksymalnej sile rozciągającej 4000N i przełożeniu 20:1. Stosowano próbki pięciokrotne o średnicy pomiarowej równej 4mm. Otrzymane odlewy poddano obróbce cieplnej przeprowadzonej w piecu oporowym ST59-MR z elektronicznym systemem pomiaru. Parametry obróbki cieplnej składającej się z przesycania oraz starzenia przedstawiono w tabeli 2. Zestawienie wskaźników właściwości mechanicznych badanych stopów w stanie po odlaniu oraz po modyfikacji i po obróbce cieplnej przedstawiono w tabeli 3. Tabela 1. Wyniki analizy składu chemicznego [w % wag]. Table 1. Chemical composition analysed results [in wt. %]. Numer Zawartość wytopu Si Cu Mg Mn Fe Ti Al A 16,45 2,84 0,74 0,02 0,15 0,008 reszta B 17,64 2,92 0,85 0,027 0,22 0,01 reszta C 18,27 2,86 0,71 0,02 0,19 0,007 reszta
Tabela 2. Parametry obróbki cieplnej siluminu AlSi17Cu3Mg. Table 2. The parameters heat treatment of AlSi17Cu3Mg silumin. Nr wytopu Rodzaj obróbki cieplnej A Stan po odlaniu. A 1 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /2 h/ powietrze. A 2 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /4 h/ powietrze. A 3 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /6 h/ powietrze. A 4 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /8 h/ powietrze. B Stan po odlaniu. B 1 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /2 h/ powietrze. B 2 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /4 h/ powietrze. B 3 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /6 h/ powietrze. B 4 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /8 h/ powietrze. C Stan po odlaniu. C 1 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /2 h/ powietrze. C 2 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /4 h/ powietrze. C 3 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /6 h/ powietrze. C 4 Przesycanie 470 o C /4 h/ woda i starzenie 160 o C /8 h/ powietrze. Tabela 3. Właściwości mechaniczne badanych stopów. Table 3. Al-Si alloys mechanical properties. Numer Czas Właściwości mechaniczne wytopu starzenia, [h] HB R m, [MPa] A 5, [%] A - 125 194 1,1 A1 2 148 202 1,1 A2 4 154 215 1,5 A3 6 168 260 1,5 A4 8 170 265 1,5 B - 128 194 1,3 B1 2 150 208 1,5 B2 4 162 228 2,1 B3 6 170 280 2,1 B4 8 172 285 2,9 C - 130 210 1,1 C1 2 139 231 1,3 C2 4 168 228 2,1 C3 6 172 270 2,3 C4 8 168 284 3,0
4. BADANIA STATYSTYCZNE Badania wstępne [4] wykazały, że najlepszymi właściwościami mechanicznymi (HB, R m oraz A 5 ) charakteryzuje się silumin nadeutektyczny o pośredniej zawartości krzemu, którego odlewy poddano obróbce cieplnej wg następujących parametrów: przesycanie 470 o C/ 4h/ woda, starzenie 160 o C/ 8h/ powietrze. W celu potwierdzenia uzyskanych wyników przyjęto zasadę, iż najlepszymi właściwościami wytrzymałościowymi będzie charakteryzował się stop, którego suma wartości standaryzowanych badanych parametrów (HB, R m i A 5 ) będzie przyjmowała maksymalne wartości. W pierwszym etapie obliczono średnią arytmetyczną badanej populacji oraz wartość estymatora odchylenia standardowego. Standaryzacji badanych parametrów dokonano na podstawie następującej zależności [5]: x S x m n (1) gdzie: x S wartość standaryzowana, x wynik rzeczywisty, m średnia arytmetyczna badanej populacji, - odchylenie standardowe, n liczba doświadczeń. Standaryzowane wartości obliczone według zależności (1) wraz z ich sumą dla badanych siluminów w stanie surowym oraz po modyfikacji fosforem i obróbce cieplnej przedstawiono w tabeli 4. Z tabeli tej wynika, iż najmniejszą wartością sumy standaryzowanych parametrów charakteryzują się doświadczenia bez obróbki cieplnej (A; B oraz C). Na tej podstawie, w kolejnym etapie badań dokonano odrzucenia doświadczeń bez obróbki cieplnej i powtórnej standaryzacji wartości empirycznych badanych parametrów. Obliczenia dokonane zgodnie z zależnością (1) dla odlewów po modyfikacji i po obróbce cieplnej przedstawiono w tabeli 5. Dane do tabeli 4: m(hb) =154,93 [HB]; m(r m ) =236,9 [MPa]; m(a 5 ) = 1,7533 [%]; (HB) = 17,256 [HB]; (R m ) = 33,74 [MPa]; (A 5 ) = 0,6289 [%]; n = 15. Dane do tabeli 5: m(hb) =161,75 [HB]; m(r m ) =246,33 [MPa]; m(a 5 ) = 1,9000 [%]; (HB) = 11,153 [HB]; (R m ) = 30,847 [MPa]; (A 5 ) = 0,6194 [%]; n = 12.
Tabela 4. Wartości standaryzowane optymalizowanych parametrów. Table 4. The standardized values on the optimization parameters. Numer Wartości standaryzowane wytopu HB R m, [MPa] A 5, [%] SUMA A -6,71819-4,92804-4,02341-15,670 A1-1,55611-4,00978-4,02341-9,589 A2-0,20948-2,51759-1,56010-4,287 A3 2,932662 2,647676-2,17593 3,404 A4 3,381539 3,221594-1,56010 5,043 B -6,04487-4,92804-2,79175-13,765 B1-1,10723-3,32107-1,5601-5,988 B2 1,586031-1,0254 2,13487 2,696 B3 3,381539 4,943349 2,13487 10,460 B4 3,830415 5,517267 7,061492 16,409 C -5,596-3,09151-4,02341-12,711 C1-3,57605-0,68105-2,79175-7,049 C2 2,932662-1,0254 2,13487 4,042 C3 3,830415 3,795513 3,366525 10,992 C4 2,932662 5,402484 7,67732 16,012 Tabela 5. Wartości standaryzowane optymalizowanych parametrów bez obróbki cieplnej. Table 5. The standardized values on the optimization parameters without heat treatment. Numer Wartości standaryzowane wytopu HB R m, [Mpa] A 5, [%] SUMA A1-4,77487-5,56632-5,00237-15,344 A2-2,69129-3,93409-2,50118-9,127 A3 2,170397 1,715933-3,12648 0,760 A4 2,864925 2,343714-2,50118 2,707 B1-4,08035-4,81298-2,50118-11,395 B2 0,086816-2,30186 1,250592-0,964 B3 2,864925 4,227055 1,250592 8,343 B4 3,559452 4,854835 6,252961 14,667 C1-7,90025-1,92519-3,75178-13,577 C2 2,170397-2,30186 1,250592 1,119 C3 3,559452 2,971494 2,501185 9,032 C4 2,170397 4,729279 6,878258 13,778
5. PODSUMOWANIE Na podstawie danych empirycznych badanych właściwości mechanicznych to jest: twardość HB, wytrzymałość na rozciąganie R m oraz wydłużenie A 5 dokonano standaryzacji ich wartości, co miało na celu wyznaczenie optymalnego czasu starzenia odlewów siluminowych. Spośród przedstawionych w tabeli 2 rodzajów obróbki cieplnej, przy pomocy wyznaczonej sumy wartości standaryzowanych stwierdzono, że optymalnymi parametrami obróbki cieplnej siluminów nadeutektycznych o pośredniej zawartości krzemu są: przesycanie 470 o C/4h/woda oraz starzenie 160 o C/8h/powietrze. Jak wynika z tabeli 4, suma wartości standaryzowanych rośnie wraz ze wzrostem długości czasu starzenia i przyjmuje wartości maksymalne po 8 godzinach starzenia. Zależność ta jest zachowana dla wszystkich badanych rodzajów siluminów różniących się procentową zawartością krzemu. Podobnej prawidłowości można się dopatrzyć analizując standaryzowane wskaźniki po odrzuceniu doświadczeń bez obróbki cieplnej (tabl.5). LITERATURA [1] J. Greń: Statystyka matematyczna. Modele i zadania. PWN, Warszawa (1982). [2] J. Gajek, M. Kałuszka: Wnioskowanie statystyczne. Modele i zadania. WNT Warszawa (1996). [3] T. Chester, R.H. Alden: Excel 97. Od podstaw do mistrzostwa. Komputerowa Oficyna Wydawnicza HELP, Warszawa (1997). [4] J. Piątkowski: Wpływ dodatków stopowych oraz modyfikacji na strukturę i właściwości obrabianych cieplnie siluminów średnionadeutektycznych, Rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, Katowice (2000). [5] B. Kacprzyński: Planowanie eksperymentu. Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa (1974). SUMMARY OPTIMIZATION OF THE AlSi17 ALLOY HEAT TREATMENT In this paper the results of the preliminary optimization of the heat treatment are presented. The mechanical properties: Brinell hardness, tensile strength and ultimate elongation are assigned. The optimality parameters of the heat treatment established for the AlSi17Cu3Mg alloy. This hypereutectic silumin has been used as motorcar engine ports. The optimization of heat treatment for silumin after mould casting and after modified by phosphorus inoculate (Cu-P) and heat treatment (solution and quench ageing heat treatment) are assigned. Recenzował Prof. Stanisław Pietrowski