7/42 Solidification o f Metais and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 PAN- Katowice, PL ISSN 0208-9386 ANALIZA STRUKTURY I WŁAŚCIWOŚCI STOPÓW Cu-Zn-Al-Si Wiktor WODECKI Wydział Odlewnictwa. Akademia Górniczo-Hutnicza, ul.reymonta 23, 30-059 Kraków WPROW ADZENIE Z przeprowadzonych badaó [1-3] wpływu zm iennych zawartości pierwiastków na właściwości stopów na osnowie miedzi wynika, że równoczesne zastosowanie dodatków aluminium i krzemu bardzo silnie zmienia strukturę stopów i pozwala otrzymać szczególne właściwości mechaniczne i technologiczne tworzyw na osnowie miedzi. W pracy [2] przedstawiono istotne znaczenie dodatków stopowych na kształtowanie się struktury, szczególnie wydzielanie się faz K i 8, których ilość i kształt decyduje o właściwościach mechanicznych. Z powyższej pracy wynika, iż naj lepsze efekty otrzymuje się dla stopu zawierającego 6-8%AI oraz 2,5-3% Si. Tworzy się wówczas pakietowa struktura a+k. Przy wyższych zawartościach w/w pierwiastków na tle wykrystalizowanej fazy K pojawiają się zwarte wydzielenia kruchej fazy 8 /rys lal. Z analizy wycinków potrójnego układu Cu-AI-Si wynika, iż przy zawmtości 3% krzemu, dodatek aluminium nie powinien przekraczać 6%, aby w strukturze stopu nie wydzieliła się w dużej ilości twarda i krucha faza 8. Mikrostrukturę pakietowej struktury stopu a i K (pasma jasne oznaczają fazę K, natomiast ciemne fazę a) przedstawiono na rys l b.
66 a Rys.l.Mikrostruktura stopu CuSi3Al9 (a)-wydzielenia fazy 8 na tle fazyk. Pow.200x. Mikrostruktura stopu CuSi3Al6 (b)-spasmowane dwie fazy CX+K. Stopy odlane do formy metalowej. Trawione: FeC1 3 +HCl+H 2 0. Pow. 200x [2] Cenne właściwości brązów można zmieniac równ1ez poprzez wprowadzenie takich składników stopowych, jak np: Fe, Mn, Ni, które tworzą fazy międzymetaliczne zwane krzemkami (FeSi, Mn 3 Si 5, NiSi) [5]. Stwierdzono również korzystny wpływ dodatków cynku w kształtowaniu właściwo śc i wytrzymałościowych i właściwości technologicznych stopów na osnowie Cu-Al.-Si. W pracy [l] poddano ocenie wpływ cynku Zn, który teoretycznie nie tworzy z faz mi ędzy metalicznych ze składnikami stopów miedzi, ale może wpływać na udział poszczególnych faz w mikrostrukturze stopów na osnowie Cu-Al-Si, a przez to wpływać na na jego właściwości mechaniczne badanych tworzyw. W ramach podjętych badaó własnych przeanalizowano w szerokim zakresie wpływ zmiennych dodatków Zn w stopach na osnowie Cu-Al-Si. Z przeprowadzonej analizy wynika, że ustalone współczynniki Giulleta przy określonej zawartości składników stopowych aluminium i krzemu oraz cynku nie są jednoznacznymi wyznacznikami otrzymania struktury określonej układem Cu-Zn. Równocześni e stwierdzono, że zachodzące przemiany fazowe podczas krystalizacji stopów na osnowie Cu-Al-Si powodują wydzielenia faz trudnych do opisania i zindentyfikowania. Dodatki cynku zmieniając układ fazowy w strukturze stopu powodują przy danej zawartości aluminium i krzemu zmianę ukształtowania krystalitów od dendrytycznych do pakietowych, zwiększając jednocześnie udział faz K+O. W pracy przedstawiono wyniki badaó stopów o zmiennej zawartości cynku przy ustalonych zawartościach Si i Al próbując ustalić wszystkie czynniki wpływające na kształtowanie się mikrostruktury o szczególnie wysokich właściwościach wytrzymałościowych specjalnej grupy mosiądzów.
METODYKA BADAŃ Przeprowadzone badania ukierunkowane zostały na wykazanie charakterystycznych cech mikrostruktury stopów w zależności od wpływu zmiennych dodatków cynku, krzemu i aluminium. Dla wyjaśnienia zjawisk będących przyczyną pojawiania się zmian w morfologii struktury stopów, wykonano stopy zawierające: 2,7% Al., 1% Si oraz zmienne dodatki cynku tj. l 0%, 15%, 20%, 25%, a w drugim wariancie stopy zawierające l,6% Al, l,4% Si oraz zmienne dodatki cynku tj. lo%, 15%, 20% i 25% Zn. Do wytworzenia badanych stopów użyto następujące materiały: - stop miedziowo-krzemowy CuSi3Mn -miedź elektrolityczna MOKI wprowadzana do kąpieli w postaci sztabek -aluminium przewodowe wprowadzane do kąpieli w postaci prętów -cynk o czystości E02 wprowadzany do kąpieli w postaci sztabek. Wsad metalowy o czystości technicznej topiono w piecu elektrycznym indukcyjnym średniej częstotliwości w tyglu szamotowo-grafitowym o pojemności 10 kg. Próbki do badań metalograficznych oraz do badań własn o ści mechanicznych odlewano do form metalowych podgrzanych do temperatury 423K. Badania wytrzymałościowe przeprowadzono przy użyciu maszyny wytrzymałościowej Instron na przykładzie próbek pięciokrotnych o średnicy 5 mm obrobionych zgodnie z PN-80/H-0431 O. Próbki do badal'l metalograficznych polerowano na polerce mechanicznej, a następnie wytrawiano odczynnikiem zawierającym FeCb+HCl+H 2 0. WYNIKI BADAŃ W ramach badań wykonano stopy zawierające: 2, 7% Al., l% S i oraz zmienne dodatki cynku tj. 10%, 15%, 20%, 25 %, a w drugim wariancie stopy zawierające l,6% Al., l,4% Si oraz zmienne dodatki cynku tj. 10%, 15 %, 20% i 25% Zn. Przeprowadzone badania mikrostruktury stopów odlanych do form metalowych i do form piaskowych wykazały duże zróżnicowanie rodzajów i postaci występujących faz strukturalnych, w zależności od składu i warunków krzepnięcia. W przypadku stopów zawierających l,6% Al i l,4% S i zmienne dodatki cynku do około 20% powodują zmiany konfiguracji dendrytycznych krystalitów roztworu a i pojawianie się niewielkich ilości faz międzymetalicznych w przestrzeniach międzydendrytycznych. Po przekroczeniu zawa11ości 25% Zn struktura zmienia charakter z dendrytycznego na pakietową, składającą się z mieszaniny ukierunkowanych płytkowych krystalitów a+k. W przypadku odlewania do formy piaskowej struktura w/w stopu składa się z dużych płytkowych krystalitów a+ K. Z kolei w przypadku stopów zawierających 2,7% Al i l % S i zmienne dodatki cynku powyżej l 0% powodują zanik budowy dendrytycznych krystalitów i pojawienie się pakietowej mieszaniny krystalitów a + K. Przy zawartościach cynku rzędu 25% i większych w strukturze stopów odlanych do form metalowych i piaskowych pojawiają się ziarna fazy K z wydzieleniami fazy 8. 67
68 c) d) h) Rys.2. Mikrostruktura stopów CuAI1,6Sil,4 Zn zaw i e rających zmienne dodatki cynku tj. 10% (rys.a), 15 % (rys.b), 20% (rys.c) i 25% (rys.d) oraz stopów CuA12,7Si lzn zawierającyc h zmienne dodatki cynku tj. 10% (rys.e), 15 % (rys.f), 20% (rys.g) i 25 % (rys.h). Stan po odl aniu do formy metalowej (rys.a, b, c, e, f, g) i po odlaniu do formy piaskowej (rys. d, h). Traw. FeC1 3 + HCl + H 2 0. Pow.x 300.
69 Badania właściwości wytrzymałościowych przeprowadzone na przykładzie próbek stopów odlanych do form metalowych przedstawiono na rys.3 i 4. 800 c;' 750 o.. 6 700 650 - r:: ro 600 - o N o 550... ro r:: 500 o ' <f> o 450 - E :>-. N... 400 >.. 350 -...- V / a l /..-" V ---- / D l l l ' l,.11 300 5 10 15 20 25 30 Zawartośc cynku [%] Rys.3. Wpływ dodatków aluminium, krzemu cynku na wytrzymałość na rozciąganie Rm stopów CuZnSilA12,7 (krzywa a) i stopów CuZnSil,4All,6 (krzywa b) "' <( Q) c Q) N ::J =o 5: >- 70 60 50 40 30 20 10 -------- --- --------------------- --- :: t--- '.._..._ --- i \ "'- - 10 15 20 25 30 Zawartość cynku[%] Rys.4. Wpływ dodatków aluminium, krzemu i cynku na wydłużenie A 5 stopów CuZnSilAI2,7 (krzywa a) i stopów CuZnSil,4All,6 (krzywa b) b
70 Jak wynika z przytoczonych wyników bada!l, wraz ze wzrostem zawartości cynku wytrzymałość na rozciąganie stopniowo zwiększa się. Wyraźniejszy przyrost wytrzymałości na rozciąganie zaznacza się w zakresie p owyżej zawartości 20% cynku. Szczególnie zaś wyraźnie zwiększa się wytrzymałość na rozciąganie po przekroczeniu zawa rtości 20% cynku w stopie CuZnA12,7Sil. Wówczas wytrzymałość na rozciąganie intensywnie zwiększa się wykazując tendencje przekroczenia poziomu wartości rzędu 750 MPa. Tłumaczyć to można zwiększeniem udziału korzystnej fazy K, która poprawia właściwości wytrzymałościowe, a także wyraźnie utwardzającym oddziaływaniem fazy 8, która pojawia się w stosunkowo korzystnej konfiguracji. Szczególnie wyraźnie udział fazy 8 przejawia się w zakresie 20-25% cynku, powodując wyraźne obniżenie właściwości plastycznych badanych stopów. W zakresie powyżej 20% cynku przy zwiększonej zawartości aluminium i krzemu w strukturze pojawia się ziarnista postać fazy K z wydzieleniami od granic fazy 8. Większa zawartość aluminium w stopie oraz jednoczesne zwiększanie zawartości krzemu i cynku powoduje wydzielenie znacznej ilości fazy 8 i silne umocnienie badanych stopów.. WNIOSKI Wraz ze wzrostem zawartości cynku zwiększa się stopniowo udział fazy K w strukturze stopów, zaś charakter struktury zmienia się od dendrytycznego do typu pakietowej mieszaniny. Szczególnie w przypadku stopów zawierających zwiększone zawartości aluminium w obecności domieszki krzemu wraz ze zwiększeniem zawartości cynku zwiększa się ilość fazy K, a nastepnie zaznacza się udział fazy 8. Wraz ze wzrostem zawartości cynku wytrzymałość na rozciąganie silnie się zwiększa dochodząc nawet do poziomu przekraczającego 750 MPa. Natomiast wydłużenie jest odwrotnie proporcjonalne do wytrzymałości, dla stopu C uznali,6si l,4 własność ta spada mniej intensywnie niż w przypadku stopu CuZnAI2,7Sil. Większa zawartość aluminium w stopie oraz jednoczesne zwiększa nie zawartości cynku powoduje wydzielenie znacznej ilości fazy 8 i możliwości bardzo dużego umocnienia struktury stopu, przy zachowaniu dobrych właściwości technologicznych.. Uwzględniając powyższe wyniki można uznać za celowe szczegółowe badania nad optymalizacją składów grupy stopów na osnowie CuZnAlSi zwanych mosiądzami aluminiowo-krzemowymi.
71 LITERATURA l. AdamskiC., Rzadkosz S.-Brązy aluminiowo-krzemowe, Przegląd Odlewnictwa nr2, Kraków, 1998, s.32-37 2. Rzadkosz S., Die Strukturmorphologie der Cu-Si-AI Legierungen Archives of Metallurgy, Iss3 v.42, Kraków 1997 3. Rzadkosz S., Wodecki W.,- Wpływ wybranych domieszek na strukturę i właściwości stopów z układu Cu-AI.-Si. II Międzynarodowa Konferencja "Nauka dla przemysłu odlewniczego", Kraków 1999, s.ll9-125 4. Rzadkosz S., Adamski C., Thiele M.-Wpływ parametróów technologicznych hartowania i odpuszczania na strukturę i właściwości mechaniczne stopów Cu-AI Si, XII Sympozjum naukowe z okazji Dnia Odlewnika ITiMO AGH strl63-170 Kraków, 1986 5. Przystupiński H., Haimann R., Struktura i własności stopów Cu-AI-Si, Materiały na IV konferencję metaloznawczą "Struktura a własności mechaniczne metali", Gliwice 1965 6. Łatkawski A., Jarominek J.-Metaloznawstwo metali nieżelaznych Kraków, 1994