NOWE GATUNKI: ELIWA NI-RESIST ORAZ STOPÓW ALUMINIUM

4/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(1/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (1/2) PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 NOWE GATUNKI: ELIWA NI-RESIST ORAZ STOPÓW ALUMINIUM S. PIETROWSKI 1 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łód STRESZCZENIE W pracy przedstawiono krystalizacj, mikrostruktur i własnoci eliwa austenitycznego Ni-Resist o obnionej iloci niklu do zakresu 8,5 10,5% Ni oraz stopów Al Si Mg Ni Cu zawierajcych poniej 1,65% Si. Wykazano, e stopy te charakteryzuj si wysokimi własnociami mechanicznymi i plastycznymi. Key words: cast iron Ni-Resist, low-siliceous Al Si, crystallization, microstructure, TDA curves 1. WPROWADZENIE eliwo Ni-Resist z grafitem płatkowym o mikrostrukturze austenitycznej z wglikami zawiera znaczn zawarto niklu (13,5 17,0% Ni), zapewniajc wraz z miedzi (5,0 7,0% Cu) obnienie temperatury M S do ujemnej i wzrost trwałoci austenitu. Przeprowadzone badania wykazały, ze istnieje moliwo obnienia w nim zawartoci niklu z zachowaniem dotychczasowej mikrostruktury [1; 2]. Stopy Al Si Mg Ni Cu zawierajce mniej od 1,65% Si tj. poniej granicznej rozpuszczalnoci krzemu w temperaturze eutektycznej (577 C) s mało rozpoznane. W zwizku z tym celowym było zbadanie ich procesu krystalizacji, mikrostruktury i wynikajcych z niej własnoci. 1 prof. dr hab. in., stanislaw.pietrowski@p.lodz.pl

2. METODYKA BADA 2.1. eliwo Ni-Resist Wsad do wytapiania eliwa Ni-Resist składał si z surówki LN, złomu stalowego i eliwnego. eliwo wytapiano w laboratoryjnym piecu indukcyjnym o pojemnoci 5kg. Dodatki stopowe dodawano do ciekłego eliwa o temperaturze 1460 1480 C. Wprowadzano technicznie czyste pierwiastki: Cr, Mn, Cu i Ni. eliwo modyfikowano modyfikatorem SB5 w iloci 0,5%. Zakres składu chemicznego badanego eliwa przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Zakres składu chemicznego badanego eliwa Table 1. The range of chemical composition of tested cast iron eliwo C Si Mn Skład chemiczny, % P max S max Cr Cu Ni Ni-Resist 2,20-3,00 1,50-2,50 0,80-1,80 0,08 0,08 0,70-2,20 4,50-7,50 7,00-15,00 2.2. Stopy Al Si Mg Ni Cu Do sporzdzenia stopów zastosowano aluminium technicznie czyste zawierajce: 0,16% Si oraz 0,23% Fe. Dodatki stopowe: Si, Ni, Mg i Cu technicznie czyste, dodawano do wsadu w postaci zgranulowanej 3-5mm. Stopy wytapiano w laboratoryjnym piecu oporowym o pojemnoci 5kg. Zakres badanego składu chemicznego stopów przedstawiono w tabeli 1. Tabela 2. Zakres składu chemicznego badanych stopów Table 2. The range of chemical composition of tested alloys Rodzaj stopu Skład chemiczny, % Si Fe Mg Ni Cu Al Si 0,16-1,62 0,14-0,23 AlSiCu 0,50-1,50 0,14-0,18 1,00-5,00 AlSiCuMg 1,00-1,20 0,16-0,19 0,45-0,55 2,00-5,00 AlSiNi 1,00-1,50 0,16-0,20 1,00-10,00 AlSiNiMg 1,10-1,30 0,18-0,21 0,40-0,50 1,00-5,00 AlSiCuNi 1,20-1,60 0,19-0,23 1,00-5,00 1,00-5,00 AlSiCuNiMg 0,50-1,50 0,14-0,18 0,43-0,55 1,00-5,00 1,00-5,00 60

Dla obu tworzyw analiz termiczn i derywacyjn (ATD) wykonano z wykorzystaniem CRYSTALLDIGRAPHU i standardowego próbnika ATD-10. Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie optycznym Epityp II oraz skanningowym firmy Jeol z mikroanalizatorem rentgenowskim, na którym wykonano rozkład punktowy i powierzchniowy składników stopu. Badania: R m, R p0,2, A 5 wykonano na próbkach o rednicy pomiarowej d 0 =5mm na zrywarce typu Instron. Pomiar twardoci wykonano na Briviskopie dla warunków 2,5/187,5/15. 3. WYNIKI BADA 3.1. eliwo Ni-Resist Obecnie eliwo Ni-Resist posiada nastpujcy skład chemiczny: 2,20 3,00%C, 1,50 2,50% Si, 0,80 1,50% Mn, 13,50 17,00% Ni, 0,80 2,00% Cr, 5,00 7,00% Cu, P i S<0,10%. Jego mikrostruktura jest austenityczna z weglikami ledeburytycznymi lub pierwotnymi oraz wtórnymi typu (Fe, Cr, Mn) 3 C. Stosunkowo niska zawarto wgla i krzemu oraz zwikszona chromu i manganu, przy znacznej iloci niklu i miedzi, maj spowodowa krystalizacj niewielkiej iloci wglików pierwotnych i wtórnych. Chrom i mangan wchodz głównie w skład cementytu tworzc wglik izomorficzny (Fe, Cr, Mn) 3 C. W zwizku z tym ich oddziaływanie na wzrost trwałoci austenitu jest niewielkie. Znacznie zwikszaj trwało austenitu i obniaj temperatur M S do ujemnej nikiel oraz mied. Pierwiastki te powoduj wystpowanie mikrostruktury austenitycznej w odlewach w temperaturze otoczenia. Ze wzgldu na wysok cen niklu, celowym było wykonanie bada obniajcych jego zawarto w eliwie, z zachowaniem mikrostruktury i wynikajcych z niej właciwoci. W wyniku bada opracowano kompozycj składu chemicznego eliwa Ni-Resist, w którym mikrostruktur austenityczn z wglikami otrzymano przy steniu 8,50-10,50% Ni. Reprezentatywny przykład krzywych ATD i mikrostruktur tego eliwa przedstawiono na rysunku 1 (a c). Na krzywej derywacyjnej efekt cieplny AB spowodowany jest krystalizacj austenitu pierwotnego w zakresie temperatury ta tb (1210 1199 C), a efekt BCF krystalizacj eutektyki austenit + grafit w temperaturze 1199 1096 C. W zakresie temperatury tf = 1096 C do tj = 1054 C krystalizuj wgliki pierwotne. W temperaturze tj = 1054 C koczy si krystalizacja eliwa. Wgliki wtórne wydzielaj si z austenitu w zakresie temperatury tl = 923 C do tn = 845 C. Przeprowadzone badania wykazały, e istotnym jest, aby wgliki pierwotne wydzielały si w kocowej fazie krystalizacji eliwa (efekt cieplny FF J), co zapewnia jego: plastyczno (A 5 1,0%), twardo HB=120 160, wytrzymało na rozciganie R m >150MPa, współczynnik rozszerzalnoci cieplnej α 18,6 10-6 K -1 i bardzo dobr obrabialno. Wgliki pierwotne wydzielajce si po krystalizacji eutektyki austenit + grafit, tj. w kocowej fazie krzepnicia eliwa, nie tworz siatki, s równomiernie rozmieszczone w osnowie austenitycznej, ich wielko zawarta jest w przedziale 61

a) Punkt A B C F F J L M N Temperatura τ, C 1210 1199 1140 1096 1087 1054 923 861 845 dt/d, C/s -0,774-1,072-0,05-1,427-1,291-1,827-1,421-1,154-1,191 b) c) x 100 x 400 Rys. 1 (a c). Krzywe ATD (a) i mikrostruktura (b, c) eliwa o składzie chemicznym: 2,97%C, 1,96% Si, 1,27% Mn, P i S 0,05%, 1,42% Cr, 9,57% Ni, 7,20% Cu. Mikrostruktura: grafit płatkowy, austenit i wgliki Fig. 1 (a c). TDA curves (a) and microstructure (b, c) cast iron of chemical composition: 2,97%C, 1,96% Si, 1,27% Mn, P i S 0,05%, 1,42% Cr, 9,57% Ni, 7,20% Cu. Microstructure: flake graphite, austenite and carbide 62

400 600µm 2, a udział procentowy wynosi 4 6% (rys. 1 b, c). Podan charakterystyk wglików otrzymuje si dobierajc odpowiedni kompozycj składu chemicznego eliwa do szybkoci krystalizacji i stygnicia odlewów. Przedstawione eliwo stosowane jest na czci maszyn odporne na korozj i zuycie, a powszechnie na wiecie stosowane jest na wkładki podpiercieniowe w tłokach silników spalinowych silnie obcionych [1; 2]. 3.2. Stopy Al Si Mg Ni Cu Opracowano now generacj stopów Al Si Mg Ni Cu zawierajcych mniej od 1,65% Si tj. poniej jego granicznej rozpuszczalnoci w aluminium w temperaturze eutektycznej (577 C) układu Al Si. Z jego analizy wynika, e maksymalna ilo fazy β(si) wydziela si z fazy α(al) w zakresie temperatury 577 400 C [3]. W aluminium technicznie czystym, oprócz niewielkich iloci zanieczyszcze (Sn, Pb, Zn itd.), wystpuje z reguły < 0,25% Si oraz Fe. Mona wic załoy, e jest to stop Al Si Fe. Jego mikrostruktur i krzywe ATD pokazano na rysunku 2 (a, b). Na krzywej derywacyjnej efekt cieplny: AM spowodowany jest krystalizacj fazy α(al), MNJ krystalizacj fazy Al 3 Fe, a JKL wydzielaniem fazy β(si) z roztworu stałego α(al). Fazy Al 3 Fe i β wydzielaj si po granicach dendrytów aluminium (rys. 2 a). Wzrost zawartoci Si do 1,22% w stopie, powoduje zmian charakterystycznych wielkoci na krzywych ATD jak to przedstawiono na rysunku 3 (a, b). Efekt cieplny MNJ spowodowany jest krystalizacj fazy Al 9 Fe 3 Si 2 w zakresie temperatury 556 540 C. Nastpiło obnienie temperatury krystalizacji fazy Al 9 Fe 3 Si 2 w stosunku do fazy Al 3 Fe (rys. 2), co jest wynikiem zmiany rodzaju krystalizujcej fazy ze wzrostem stenia Si. Natychmiast po zakoczonym procesie krystalizacji stopu, w temperaturze tj = 540 C rozpoczyna si wydzielanie z fazy α(al) krzemu (β) w maksymalnej iloci, a do temperatury tl = 513 C. Powoduje to na krzywej krystalizacji efekt cieplny JKL. W stopie zawierajcym niewielkie stenie krzemu (0,16%, rys. 2), maksymalny efekt cieplny jego wydzielania z fazy α wystpuje dopiero po 60s. od zakoczenia krystalizacji stopu. Zakres temperatury dyfuzyjnego wydzielania krzemu jest w obu stopach bardzo podobny. Równie obszary wydziele krzemu s analogiczne. Reprezentatywne przykłady wydziele faz: Al 3 Fe, Al 12 Fe 3 Si 2, Al 9 Fe 3 Si 2 oraz β w badanych stopach przedstawiono na rysunku 4 (a c). Na rys. 4 (a) numerami 1 3 oznaczono miejsca punktowej analizy stenia Al, Fe i Si. Przedstawiono je w tabeli 3. 63

a) b) 700 A MN J' J K L 1.0 0.5 600 dt/d τ=f '( τ) 0.0-0.5-1.0 t, C -1.5-2.0 dt/d, C/s τ 500-2.5-3.0 t=f( τ) -3.5-4.0 400-4.5 0 100 200 300 400 500 τ, s Punkt, s t, ºC dt/d, ºC/s A 36 580 0,80 M 155 573-0,41 N 169 568-0,14 J 183 564-0,47 J 243 535-0,55 K 253 536-0,44 L 280 514-0,56 Rys. 2 (a, b). Mikrostruktura (a) i krzywe ATD (b) stopu AlSi0,16Fe0,23 Fig. 2 (a, b) Microstructure and TDA curves of AlSi0,16Fe0,23 alloy 64

a) b) 600 A MNJ K L 1.0 0.5 500 dt/d τ=f '( τ) 0.0-0.5-1.0 t, C 400-1.5-2.0 dt/d, C/s τ -2.5 300 t=f( τ ) -3.0-3.5-4.0 200-4.5 0 100 200 300 400 500 τ, s Punkt, s t, ºC dt/d, ºC/s A 23 574 0,71 M 81 556-0,91 N 92 546-0,66 J 101 540-1,06 K 114 530-0,24 L 138 513-1,06 Rys. 3 (a, b). Mikrostruktura (a) i krzywe ATD (b) stopu AlSi1,22Fe0,18 Fig. 3 (a, b). Microstructure (a) and TDA curves (b) of AlSi1,22Fe0,18 alloy 65

a) b) c) Rys. 4 (a c). Reprezentatywne przykłady wydziele faz: Al 3 Fe, Al 12 Fe 3 Si 2 i Al 9 Fe 3 Si 2 oraz β(si) w badanych stopach Fig. 4 (a c). Representation example phase: Al 3 Fe, Al 12 Fe 3 Si 2 i Al 9 Fe 3 Si 2 and β(si) in tested alloys 66

Tabela 3. Stenie Al. Fe i Si w punktach 1 3 z rys. 4 (a) Table 3. Concentration: Al, Fe and Si in point 1 3 from fig. 4 (a) Punkt Stenie, % Al Fe Si 1 48,11 29,45 22,44 2 97,89 0,56 1,54 3 51,47 48,37 0,16 Wynika z niej, e faza z nr 1 to AlFeSi, nr 2 to α(al) i nr 3 to β(si). Krystalizacja faz: Al 3 Fe, Al 12 Fe 3 Si 2 i Al 9 Fe 3 Si 2 zaley od zawartoci Fe i Si, a podana kolejno odpowiada ich wzrostowi stenia. Fazy elazowe maj posta długich wskich płytek. Przy steniu do 0,20% Fe w stopie, ich długo nie przekracza 400µm, a szeroko 30µm. Krzem zarodkuje i wzrasta na granicy midzyfazowej α/faza elazowa. Jego wydzielenia maj zwart, płytkow budow. Dla stopów Al Si Mg, Al Si Ni oraz Al Si Cu na krzywej derywacyjnej pojawiaj si efekty cieplne od krystalizacji faz: Mg 2 Si, Al 3 Ni i Al 2 Cu. W stopach Al Si Mg Ni Cu, w zalenoci od zawartoci dodatków stopowych, na krzywej derywacyjnej efekty cieplne od krystalizacji faz: AlFeSi, Al 3 Ni lub Mg 2 Si mog si na siebie nałoy. Przykładow mikrostruktur i krzywe ATD takiego stopu zawierajcego AlSi0,34Mg0,59Ni0,98Cu5,08 przedstawiono na rysunku 5 (a b). Efekt cieplny: AM w zakresie temperatury ta = 623 C do tm = 561 C spowodowany jest krystalizacj fazy α(al), MNJ do temperatury tj = 545 C krystalizacj faz α + Al 3 Fe + Mg 2 Si + Al 3 Ni, J PJ do tj = 519 C krystalizacj eutektyki α + Al 2 Cu. W temperaturze tj = 519 C koczy si krystalizacja stopu i zaczyna wydzielanie dyfuzyjne fazy β(si) z fazy α(al). Maksymalny efekt cieplny wydzielenia Si koczy si w temperaturze tl = 495 C. W mikrostrukturze stopu wystpuj wydzielenia faz: Al 3 Fe, Al 3 Ni, Mg 2 Si, Al 2 Cu i β po granicach ziarn fazy α (rys. 5 a). Jej wycinek w duym powikszeniu wraz z powierzchniowym rozkładem: Al, Si, Ni, Cu, Fe i Mg pokazano na rysunku 6 (a, b). Wynika z niego, e granica rozdziału fazy poprzedniej z faz α jest miejscem zarodkowania i wzrostu kolejnej fazy. W zwizku z tym nastpujce granice midzyfazowe s miejscem wzrostu kolejnych faz: α/ Al 3 Fe(Al 12 Fe 3 Si 2, Al 9 Fe 3 Si 2 ) dla fazy Al 3 Ni, granice tych faz dla Mg 2 Si, Al 2 Cu, a nastpnie fazy β. Uogólniajc mona stwierdzi, e granice midzyfazowe faz wykrystalizowanych poprzednio s miejscem zarodkowania i wzrostu kolejnej krystalizujcej fazy. Wyznaczaj one granice ziarn fazy α, zapewniajc ich cigło i silne umocnienie. W zalenoci od składu chemicznego stopów oraz ich szybkoci krystalizacji i stygnicia mona otrzyma stopy o duej R m = 360 550MPa, R p0,2 = 230 480MPa i A 5 = 4,5 8,0% lub duym wydłueniu A 5 = 10,0 16,0% i mniejszej R m = 190 380MPa oraz R p0,2 = 90 300MPa. Twardo stopów obu grup zawiera si w zakresie 60 110HB. Obie grupy stopów mog by przerabiane plastycznie lub tylko odlewane. Nie 67

stwierdzono znaczcego pogorszenia lejnoci, zdolnoci do odtwarzania wnki formy oraz porowatoci gazowej i skurczowej w stosunku do siluminów. a) b) 900 A M N J' P J K L 0.5 0.0 800 dt/d τ=f '( τ) -0.5-1.0 700-1.5 t, C -2.0 dt/d, C/s τ 600-2.5-3.0 500 t=f( τ ) -3.5-4.0 400-4.5 0 100 200 300 400 500 τ, s Punkt, s t, ºC dt/d, ºC/s A 58 623 0.20 M 230 561-0,57 N 244 553-0,50 J 261 545-0,56 P 288 532-0,34 J 320 519-0,49 K 335 515-0,03 L 385 495-0,85 Rys. 5 (a, b). Mikrostruktura (a) i krzywe ATD (b) stopu AlSi0,34Mg0,59Ni0,98Cu5,08 Fig. 5 (a, b). Microstructure (a) and TDA curves (b) of AlSi0,34Mg0,59Ni0,98Cu5,08 alloy 68

a) b) Rys. 6 (a b). Mikrostruktura (a), w której badano powierzchniowy rozkład: Al, Si, Ni, Cu, Fe i Mg (b) Fig. 6 (a b). Microstructure (a) in who tester surface distribution of: Al, Si, Ni, Cu, Fe i Mg (b) 69

4. WNIOSKI Wnioski wynikajce z przedstawionych w pracy wyników bada s nastpujce: mikrostruktur austenityczn w eliwie Ni-Resist mona otrzyma przy niszym ni obecnie stosowanym steniu niklu 8,5 10,5%, wieloskładnikowe stopy Al Si Mg Ni Cu zawierajce poniej 1,65% Si charakteryzuj si wysokimi własnociami mechanicznymi i plastycznymi, mianowicie: R m = 190 550MPa, R p0,2 = 90 480MPa, A 5 = 4,5 16,0% i HB = 60 110. LITERATURA [1] Podrzucki C.: eliwo. Wydawnictwo ZG STOP, Kraków, 1991. [2] Pietrowski S., Bajerski Z.: eliwo Ni-Resist o obnionej zawartoci niklu. Archiwum Odlewnictwa, Nr 17, PAN Komisja Odlewnictwa, Oddział Katowice, 2005, s. 445. [3] Pietrowski S.: Siluminy. Wydawnictwo PŁ, 2001. SUMMARY A NEW ALLOY: CAST IRON NI-RESIST AND ALUMINIUM It present crystallization, microstructure and mechanical property a new cast iron Ni-Resist about lower concentration Ni = 8,5 10,5% and new generation of Al Si Ni Cu Mg alloy included below 1,65% Si in the paper. The are characterized high mechanical property and big plasticity. Recenzował: prof. Stanisław Rzadkosz. 70