36/14 So!idific:ation ofmc:tals and Alloys. No.36, 1998

36/14 So!idific:ation ofmc:tals and Alloys. No.36, 1998 KrzepnięcieMdali i Stopów, Nr 36, 1998 P AN - Oddział Katowice PL ISSN 0208-9386 ROLASKLADUCHEMICZNEGOPODCZASOBRÓB~ CIEPLNEJ STOPÓW AJ-Si-Cu KACZOROWSKI Mieczysław, KRZYŃSKA Anna Politechnika Warszawska ul.narbutta 85, 02-524 Warszawa l. Wprowadzenie Nieustanne dążenie do mmiejszenia masy konstrukcji powoduje wzrost wymagań stawianych materiałom konstrukcyjnym. Dotyczy to również tworzyw odlewniczych, zarówno z grupy stopów Fe jak i Al. Wśród tych ostatnich najpowszechniej stosowanymi są stopy Al-Si często zawierające dodatek Cu i Mg, które umożliwiają ich obróbkę cieplną zwaną umacnianiem wydzieleniowym. W warunkach przemysłowych parametry obróbki cieplnej, takie jak temperatura i czas, są ustalone dla danego stopu pod kątem uzyskania założonych właściwości mechanicznych. Z drugiej strony wiadomo, że każda norma dopuszcza mniejsze lub większe odchylenie od składu chemicznego. Jawi się pytanie: jak bardzo odstępstwo od założonego składu chemicznego wpływa na przebieg procesów wydzieleniowych i dalej w jak wielkim stopniu oddziałują one na właściwości odlewu? Przedmiotem niniejszej pracy są badania wpływu składu chemicznego na strukturę i v.łaściwości mechaniczne stopu AK53. 2. Metodyka badań Materiałem do badań były próbki ze stopu AK53 o składzie podanym w tablicy l. Tablica 1. Skład chemiczny stopów NnwtOOU SKŁADNIKI STOPOWE f% waat DOMIESZKI [% waa.l Suna sklacilików [%] Si Cu Ma M n Fe Ni Zn n r.. Si-tCu+Mg Cu+Mg 1. -4.51 2.28. 0.05 0.25 0.15 0.02 0.10 0.12 7.48 6,84 2.33 2 5.95 J.n 0.14 0.33 0.47 0.02 0.09 0.06 10.83 9.86 3.91 3 6.23 3.95 0.05 0.25 0.48 0.02 01!_ 0.05 11.47 10.23 4.00 4 5.87 2.64 0.13 0.30 0.39 0.02 0.44 0.08 9,87 8.64 2.77 5 6.68 2.55 0.05 0.44 0.49 0.02 0.08 0.06 10.37 9,28 2.60 6 4.76 4.26 0.15 0.29 0.35 0.02 0.12 0.11 10.06 9.17 4.41 7 ; 4.56 3.89-0.06 0.56 0.41 0.02 0.53 0.11 10.14 8.51 3.95 8 : :4.ss ' -_ 2..20.): 0.15 0.55 0.52 0.02 0.45 0.11 8.68 7.03 2.35

112 Topienie, którego szczegóły podano w pracy [I], przeprowadzono w piecu tyglowym opalanym gazem o pojemności 150kg. Proces prowadzono pod przykryciem żużli polaywająco-rafinujących Pokal 6. Po stopieniu stopy rafincwano za pomocą preparatu Degaser VP 534 a następnie modyfikowano z wykorzystaniem modyfikatora KAPMOD. Z tak przygotowanego ciekłego metalu wykonywano odlewy schodkowe o grubości schodków 4, 20 i 40mm, które poddano pełnej obróbce cieplnej obejmującej : wyżarzanie ujednoradniające przez 7 godzin w temperaturze 510 ± 5 C, przesycanie w wodzie o temperaturze 60-80 C, starzenie przez 7 godzin w temperaturze 170 ± 5 C. Przygotowane w ten sposób próbki były badane w celu określenia: R",, As, oraz HB. Dodatkowo wykonano jeszcze badania udarności oraz pomiary mikrotwardości osnowy. Obok badań właściwości mechaniemych stopy poddano obserwacjom metalograficznym, oraz w skaningowym (SEM - Scanning Electron Microscope) i transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM- ang. Transmission E lectron Microscope ). Zgłady metalograficzne sporządzono tradycyjnie metodą szlifowania na papierach ściernych i polerowania na tarczy filcowej zwilżanej wodną zawiesiną tlenku glinu. Obserwacje w SEM przeprowadzono na przełomach uzyskanych podczas badania udarności zaś preparatami do badań w TEM były cienkie folie, otrzymane przez ścienianie elektrolityczne metodą strumieniową. 3. Wyniki badań 3.1. Własności ~haniczne stopów Wyniki badań własności mechanicznych stopu AK53 w stanie lanym zamieszczono w tablicy 2a zaś po obróbce cieplnej w tablicy 2b. Tablica 2a. Właściwości stopu AK53 w stanie lanym, Nr wytopu Rm [MPa) Ro2[MPa) As[%) HB Lskładników 1%1 1 198 92 4.6 76 7.48 2 219 112 4.1 94 10.83 3 235 139 4.5 90 11.47 4 200 104 5.7 86 9.87 5 209 90 6.6 83 10.37 6 209 127 2.3 87 10.06 7 223 105 4.3 90 10.14 8 212 98 4.7 82 8.68

113 Tablica 2b. VVłaściY.ości stopu AK53 po obróbce cieplnej Nrwyq,&l Rm IMPal RoPal ~l%) H8 WN KCV 1 201 138 1.75 85.4 51.6 1.15 2 328 299 1.3 139 68.7 0.93 3 266 171 3.0 113 54.9 0.95 4 2IfT 228 2.2 117 57.1 1.14 5 224 127 4.7 98 48.1 1.22 6. -- 291 - - - 21J 0.9 133 611.8 0.87 7 316 253 1.7 128 71.8 0.91 8 - - - 289 :. 214 3;1 111 58 1.45 Z pobieżnej analizy wartości zestawionych w tablicy 2a i b widać, że właściwości mechanicme badanych stopów typu AK53 różnią się zasadniczo. Dla przykładu wystarczy przytoczyć wytnymałość na rozciąganie, która po obróbce cieplnej zmienia się od 201MPa (stop nr l) do 328MPa (stop nr 2). Różaka ta wynosi U7MPa co stuowi ponad W.4 w stosllllb de stopu o aajidiiejsuj wytrzymawd u fwduanie! l.l. Mikrostraldura Badania metalograficme Badania mikrosaruktury ro~ od obserwacji metalograficmych, którymi objęto wszystkie stopy. Badania wykazały obecność dendrytów roztworu stałego a na de rozdrobnionej eutektyki Wyjątek stanowiły próbki o numerach 3 i 5, w których krzem eut.ektycmy miał postać dużych igieł, co musiało być slultkiem zaniku efektu modyfikacji. Jako przykład mikrostruktury badanych stopów, na rys. l połammo zdjęcia otrzymane dla stopów nr 6 i 8, charakteryzujących się najmniejszą i największą udamością (tablica 2b). Rys.1. Mikrostruktura stopu AK53 otrzymana w odlewach: a - nr 6 i b -nr 8 (x50)

ll4 Ze zdjęć (JYS.l) wynika, iż mikrosttuktura stopów 6 i 8 różni się dość wyraźnie. Różnica ta polega na mniejszym udziale i bardziej równomiemym rozłożeniu krzemu eutektycmego w stopie nr 8 w porównaniu do stopu nr 6. Obsetwacje w SEM Badaniom w skaningowym mikroskopie elektronowym poddano przełomy otrzymane w wyniku badań udarności. Ich celem było uzyskanie informacji, które pomogły by odpowiedzieć na pytanie co jest przyczyną wyraźnie różiiej energii pękania stopów będących w rozumieniu PN tym samym stopem. Z obserwacji wynika, że powierzchnia przełomów jest podobna i charakteryzuje się dużym rozwinięc iem powierzchni. Obok jamek (kraterów) obecnych w miejscach pękania metalicmej osnowy na prldomach są widocme obsz81)' typowe dla pęknieć łupliwych (2]. W tym wypadku są nimi powierzchnie łupliwości wydzieleń krzemu eutektycmego [3]. b. Rys.2. Powierzchnia przełomu próbek: a - ze stopu nr 6 i b - ze stopu nr 8 (x1000). Na rys.2 zamieszczono przykład przełomów próbek wyciętych u stopów o numerach 6 i 8, w przypadku których praca miszeunia wynosi odpowiednio 0.89 oraz 1.45 J. Obserwacje wtem Badania w transmisyjnym mikroskopie elektronowym miały zasadnicze macunie, dla rozstrzygnięcia przyczyn różych własności mechaniemych próbek u stopu AK53. Jakkolwiek preparatyka w odniesieniu do stopów odlewniczych jest niezmiernie skomplikowana tym niemniej obserwacje przeprowadzono dla wszystkich stopów. Głównym celem badań było uzyskanie danych o stadium procesu umacniania, rodzaju wydzieleń oraz ich gęstości. Z obserwacji wynika, iż dominującą fazą umacniającą są wydzielenia fazy metastabilnej S', której można przypisać formułę (CuMg)Ah [4].

lis a. b. c. Rys.3. Mikrostruktura stopu AK53 po przesycaniu i starzeniu: a - mikrografia elektronowa, b - obraz dyfrakcji elektrono'łt'ej Wydzielenia posiadają postać drobnych płytek równomiernie rozmieszczonych w trzech wzajemnie prostopadlych płaszyznach, którymi są płaszyzny { l 00} osnowy roztworu stałego a. Jak wynika z analizy obrazów dyfrakcji elektronowej. wydzielenia są przynajmniej częściowo osnową. Charakterystyczne rozciągnięcie refleksów dyfrakcyjnych na elektronogramach dowodzi, iż płytki muszą być bardzo cienkie [ 5]. Przykład struktury obserwowanej w obrobionych cieplnie stopach AK53 pokazano na rys.3.

ll6 Obok obserwacji o charakterze metalografiemym przeprowadzono badania ilościowe w celu oszacowania gęstości wydzieleń. Do obliczeń założono, że średnia grubość folii wynosi l SOnm 1 W}niki obliczeń zamieszczono w tablicy 3. Tablica 3. Gęstość wydzieleń w stopach AK53 Nr... :t sldadnikbw Cu+Mg Liczbil Powieacłlia Objętość GĘSTOŚĆ WYDZIELEŃ p L%1 1%1 wvdzieleń (m2 X 1()-1) (m3x 1()--~ x1015m 1 7.48 2.33 1710 7.niJ 116±29 15±4 2 10.83 3.91 3438 9.617 144±36 24±6 3 11.47 4.00 2337 9.617 144±36 16±4 4 9.87 2.n 2649 6.611 99±25 27±6 5 10.37 2.60 2817 11.861 178±45 16±4 6 10.06 4.41 2118 6.365 95±25 22±5 7 10.14 3.95 7386 11.861 178±45 41 ± 10 8 8.68 2.35 690 9.617 144±36 15± 1 4. Dyskusja wyników badań Na wstępie należy zauważyć, że w pracy występują dwa zagadnienia. Pierwsze z nich dotyczy właściwości odlewów z grupy stopów AK53 bezpośrednio po odlaniu, drugie ich właściwości po obróbce cieplnej. Analiza pierwszego musi obejmować zależność poszczególnych właściwości od sumy składników, a przede wszystkim od lącmej zawartości Si oraz Cu. Jeśli idzie o właściwości stopów po obróbce cieplnej, to główną rolę odgrywają pierwiastki mające bezpośredni związek z tworzeniem faz umacniających, tj. Cu i Mg. Uwzględniając powyższe analiza zostanie przeprowadzona w dwóch etapach. Właściwości stopu AK53 w stanie lanvm Na wstępie należy zamaczyć, iż podczas analizy właściwości stopów bezpośrednio po odlaniu pominięto wytopy 3 i 5, któ:rych mikrostruktura wskazywała na zanik efektu modyfikacji eutektyki. Umano, iż obecność dużych i gieł Si eutektycmego może miekształcić wyniki badań własności mechanicmych, zwłaszcza R",, Ro.2 i As 2, aczkolwiek nie powinna wpłynąć na twardość stopów. Wykresy ukazujące zmianę umownej granicy piastyeroości i wydłużenia w funkcji zawartości pierwiastków stopowych zamieszczono na :rys.4. Z wykresu (:rys.4a) wynika jednomacmie, że wzrost zawartości pierwiastków stopowych powoduje wzrost Ro.2. Przebieg zmian wydłużenia w funkcji zawartości pierwiastków stopowych trudno uznać za monotonicmy. Podstawo~ " zakłóceniem" jest stop nr 6, któ:ry mimo iż nie należy do najbardziej stężonych to jednak odmacza się wyjątkowo małym wydłużeniem. Powodem takiego 1 Wybór miejsca obsejwacji, w którym określano liczbę wydzieleń przeprowadzano uwzględniając in1ensywność w warunkach zapewniających możliwie jednorodne oświetl enie obszaru oraz dobry kontrast od wydzieleń. 2 Wr*fw krzemu eutektycznego może być dwojaki. Z jednej strony duże wydzielenia igieł krzemu eutektycznego oddziałują jako koncen1ratory naprężenia, z drugiej jednak strony obecność dużych wydzieleń sprzyja obecności znaczych przestrzeni między nimi. Te ostatnie umożliwiają stsunkowo łatwe płynięcie plastyczne do momentu osiągnięcia takiego poziomu naprężenia, które powoduje gwałtowną in i cjajcję i rozprzestrzenianie pęknięcia. 3 Idzie o sumaryczną zawartość pierwiastków stopowych.

117 zachowania stopu może być fakt. iż stop ten charakteryzuje się najwyższą zawartością Cu. Miedź lokuje się zwykle na granicach ziarn w postaci twardych i kruchych wydzieleń fazy AhCu i w przypadku dużej zawartości może nawet utworzyć ciągłą warstewkę wzdłuż granic ziarn, która zdecydowanie zwiększa kruchość stopu. a... ~.....!. a:: 40 20 o 7.48 8.68 9.87 10.06 10.14 10.63 Suma aldaclnlków [%) b. 6.00 5.00 4.00 ~ 3.00... c 2.00 1.00 7.48 8.68 9.87 10.06 10.14 10.83 Swna akladnlków [%) Rys.4. Zależność v.łaściw:>ści stopu AK53 w stanie lanym od sumy pierwiastków stopowych: a - Ro.2 oraz b - As. Potwierdza to wydłużenie innych stopów AK53, odznaczających się zwiększoną ilością Cu w stopie. Właściwości stopu AK53 po obróbce cieplnej W przypadku stopów AK53 umocnionych wydzieleniowo, analiza dotyczy przede wszystkim tych procesów, które dokonały się w objętości roztworu stałego a. Jak już wspomniano, istotne są tutaj dwa pierwiastki a mianowicie Cu oraz Mg, ponieważ każdy z nich może doprowadzić do umocnienia przez wytworzenie faz metastabilnych e' lub W. W przypadku gdy występują równocześnie zwykle pojawia się faza S', którą zidentyfikowano podczas obserwacji wtem. Zważywszy na to, iż umacnianie dotyczy osnowy roztwory stałego, jest logiczne aby analizę przeprowadzić pod kątem wzrostu twardości stopów w funkcji zawartości Cu i Mg dla wszystkich stopów. Taką zależność pokazano na rys.5.

ll8 r-------------~~~-.r--------~~ ;., 1----------------ł < '... --~----ł:~- 2.33 2.35 2.6 2.77 3.91 3.95 4 4.41 Cu+Mg[%] Rys. S. Przyrost twardośc i osnowy roztworu stałego a od zawartości Cu i Mg. Jakkolwiek wykres nie jest monotoniemy to jednak wynika z niego, że im większa jest zawartość Cu + Mg tym większe jest umocnienie stopu. Fakt, że wzrost twardości nie jest proporcjonalny do lącmej zawartości miedzi i magnezu wynika zapewne z różnej zawartości krzemu. Choć krzem nie daje wkładu w umocnienie wydzieleniowe to jednak jako składnik o dużej twardości wpływa na twardość stopu ograniczając objętość, w której może zachodzić odkształcenie plastycme. Wykres pokazany na rys.s jest makroskopowym odzwierciedleniem skutków umacniania wydzieleniowego. Z punktu widzenie ~awisk jakie dokonały sie w stopach podczas obróbki cieplnej wydaje się, że najbardziej miarodajna byłaby zależność ukazująca zmiany nie twardości HB lecz mikrotwardości osnowy w funkcji Cu oraz Mg. Posłużenie się pomiarem mikrotwardości powinno umożliwić uwolnienie się od wpływu krzemu eutektycmego, który zakłóca interpretację wyników badań. Zważywszy na stosunkowo niewielką zawartość magnezu zdecydowano się sporządzić zależność między sumą Cu + Mg, gęstością wydzieleń (p) oraz mikrotwardością jjliv (rys.6). i ~;~ \, l{1q { 1/l"rla] Rys.6. Zależność między m i krotwardością osnowy J.1HV a sumą Cu + Mg i gęstością wydzieleń fazy umacniajacej.

119 Takie zestawienie wydawało się logiczne ze względu na to, że umocnienie roztworu stałego - a, którego miarą jest mikrotwardość. dokonuje się za pośrednictwem wydzieleń i powinno wzrastać ze wzrostem ich gęstości. Z drugiej strony, gęstość wydzieleń jest funkcją przesycenia roztworu stałego oraz temperatury i czasu starzenia. Uwzględniając, iż te ostatnie były jednakowe d1a wszystkich stopów (7 h w temperaturze l 70 ± 5 C) ich wpływ można pominąć. Z wykresu wynika jednoznacznie, że umocnienie osnowy rośnie ze wzrostem ilości Cu oraz Mg, których ilość decyduje o gęstości wydzieleń. Wzrost twardości osnowy jest spowodowany przede wszystkim wyd.7jeleniem cząstek metastabilnej fazy s blokujących ru.ch dyslokacji poruszajacych się w płaszczyznach łatwego poślizgu. Skuteczność wydzieleń determinują dwa czynniki, a mianowicie: opór jaki stawiają wydzielenia a więc ich rodzaj oraz gęstość, ta zaś wzrasta ze stopniem przesycenia atomami miedzi i magnezu (p= f(cu+mg)). 5. Wnioski Podstawowym wynikiem badań przeprowadzonych w ramach niniejszej pracy jest stwierdzenie zależności między właściwościami mechanicznymi a składem chemicznym stopu AK53, zarówno w stanie lanym jak i po obróbce cieplnej. O tym, że istnieje bezpośredni związek między składem chemicznym a właściwościami stopu wie każdy i potwierdzenie tej zależności nie wnosi nic nowego do wiedzy na temat relacji: skład chemiczny -!.truktura - właściwo ś ci stopu. Nie taki był też zamysł pracy. Nadrzędnym celem było: Ustalenie relacji ilościowych między tym jak bardzo właściwości mechaniczne zależą od zmiany składu chemicznego? W tym względzie ustalono, że różnice składu chemicznego, jakkolwiek mieszczące się w granicach normy, mogą prowadzić do różnic w właściwościach odlewów sięgających nawet kilkadziesiąt procent w stosunku do wartości nominalnych! Określenie które pierwiastki wywierają największy wpływ na właściwości!>1opu w stanie lanym i po obróbce cieplnej? W wyniku badań ustalono, że najbardziej krytycznymi pierwiatkami są Si oraz Cu, przy czym zarówno niedobór jak i nadmiar każdego z nich, w odniesieniu do zawartości nominalnej, istotnie wpływa na właściwości odlewów ze stopu AK53 w stanie lanym. W przypadku obróbki cieplnej, której celem jest umocnienie wydzieleniowe a obejmującej przesycanie staizenie, pierwiastkiem decydującym jest Cu. Wykazanie nieprawidłowości w stosowaniu takich samych parametrów obróbki cieplnej (czasu i temperatury), niezależnie od różnicy składu chemicznego. W skazanie koniecmości zawężenia tolerancji składu chemicznego (głównie C u) w odpowiednich normach lub jego sprawdzania.

120 Uteratura. l. Kaczorawski M., Bindas J., Górzyński P., Rutkowski P.: O wpływie składu chemiemego stopu AK53 na jego własności mechanicme, Mat.XV Symp.ZO ITB PW i OW STOP, Warszawa 1990, s. 14. 2. Praca zbiorowa:metal Handbook Fractography, vo.l2, ed.asm International, Metais Park Ohio, USA, 1988 3. M.Kaczorowski, R.Szostak: Geiugeeinflufł auf den Ausscheidungsprozes in einer AISi9-Lgierung, Aluminium, 59( 1983)p.924. 4. Praca zbiorowa: Aluminium: Properties and Physical Metallurgy, ed.j.e.hatch, ASM, Metais Park, Ohio USA, 1984. S. Thomas G., Goringe M.J.: Transmission Electron Microscopy of Materials, John Wiley & Sons, New York USA, 1979.