17/9 Archives of Foundry, Year 2003, Volume 3, 9 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 9 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 WPŁYW MODYFIKACJI NA PRZEBIEG KRYSTALIZACJI, STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE BRĄZU CYNOWO-FOSFOROWEGO CuSn10P I. GŁAZOWSKA 1, F. ROMANKIEWICZ 2 Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny 65-246 Zielona Góra, ul. Z.Szafrana 4 STRESZCZENIE Badania nad modyfikacją brązu cynowo-fosforowego CuSn10P mikrododatkiem cyrkonu wykazały korzystny wpływ na mikrostrukturę i mechaniczne właściwości stopu. Poprawę efektywności wpływu cyrkonu badano wprowadzając ponadto mikrododatki magnezu i żelaza. Modyfikacja spowodowała rozdrobnienie struktury, co wpłynęło korzystnie na właściwości mechaniczne brązu CuSn10P. Mikrododatki cyrkonu, magnezu i żelaza spowodowały wzrost wartości następujących parametrów: R m o 20%, HB o 10%. Key words: modification, tin-phosphor bronze, structure 1. WPROWADZENIE Brąz cynowo - fosforowy CuSn10P stosowany jest na odlewy części maszyn, armaturę chemiczną oraz wysokoobciążone, szybkoobrotowe, źle smarowane i narażone na korozję łożyska. Wśród brązów cynowych wyróżnia się dobrą wytrzymałością na rozciąganie, twardością a także odpornością na duże obciążenia mechaniczne, ścieranie oraz korozję. W odlewach struktura tego brązu składa się z dendrytów roztworu stałego α i eutektyki α+δ+cu 3 P rozmieszczonej w przestrzeniach międzydendrytycznych. Właściwości i struktura zależą od przebiegu topienia i odlewania stopu. Z warunkami topienia i odlewania silnie związane są procesy zarodkowania i segregacji krzepnącego stopu [1]. Niejednorodność struktury odlewów z brązu CuSn10P jest wprawdzie korzystna dla odporności na ścieranie, jednak segregacja cyny i fosforu w strukturze 1 dr inż. ; I.Glazowska@ibem.uz.zgora.pl 2 prof. dr hab.inż. ;F.Romankiewicz@ibem.uz.zgora.pl
126 brązu prowadzi do zmniejszenia ciągliwości i wytrzymałości zmęczeniowej. Kształtowanie struktury stopu jest wyraźnie związane z morfologią krzepnięcia. Mając powyższe na uwadze, postanowiono zbadać wpływ modyfikacji na przebieg krystalizacji, strukturę i właściwości mechaniczne brązu CuSn10P [2,3]. Wyniki dotychczasowych badań nad modyfikacją stopów miedzi wykazują, że modyfikacja brązów cyrkonem powoduje korzystne efekty. Dodatki magnezu i żelaza poprawiają istotnie efekty modyfikacji brązów cyrkonem. Żelazo aktywizuje heterogeniczne zarodkowanie. Magnez chroni cyrkon przed utlenianiem w kąpieli metalowej. 2. TOPIENIE I MODYFIKACJA Do badań użyto handlowego brązu CuSn10P o składzie chemicznym zgodnym z PN-91/H-87026. Zabiegi topienia i modyfikacji przeprowadzano w piecu indukcyjnym IMSL-10, w tyglach grafitowo-szamotowych, pokrytych powłoką izolacyjną, pod warstwą pokrycia ochronnego. Jako modyfikator zastosowano cyrkon lub cyrkon z innymi mikrododatkami, jak: magnez, żelazo. Cyrkon wprowadzano do kąpieli metalowej w postaci stopu wstępnego CuZr35. Zabiegi modyfikacji przeprowadzano po roztopieniu metalu i przegrzaniu go do temperatury 1423K. Wytopy przeprowadzono wg programu podanego w tabeli 1. Po modyfikacji ciekły metal był przetrzymywany w piecu 2 min. w temperaturze przegrzania. Próbki do badań metalograficznych i właściwości mechanicznych odlewano do form metalowych, natomiast do badania przebiegu krzepnięcia do próbnika EO10 połączonego z mikrokomputerowym systemem. Badano wpływ mikrododatków na przebieg krystalizacji, strukturę i właściwości mechaniczne brązu. 3. BADANIE PRZEBIEGU KRZEPNIĘCIA Do badania procesu krzepnięcia wykorzystano metodę termicznej analizy różniczkowej ATD. Pomiar i rejestrację temperatury w czasie stygnięcia i krystalizacji próbek wykonano przy użyciu mikrokomputerowego systemu pomiarów analogowych STAM-16, stosując program komputerowy sterujący rejestracją i przetwarzaniem sygnałów pomiarowych, opracowany przez J.Mutwila [4]. Analizy procesu krystalizacji brązu dokonano na podstawie punktów charakterystycznych, istotnych w metodzie ATD, oznaczonych na wykresach zmiany temperatury w czasie T(t) i jej pochodnej po czasie dt(t), podczas studzenia ciekłego metalu. Przeprowadzono następujące wytopy: a) bez modyfikacji, b) modyfikowany 0,04% Zr, c) modyfikowany po 0,02% Mg, Fe + 0,04% Zr - (rys.1a,b,c).
127 Rys. 1. a) Wykres ATD dla brązu CuSn10P - wytop bez modyfikacji Fig. 1. a) Chart ATD for the bronze alloy CuSn10P - the smelting non modified Rys. 1. b) Wykres ATD dla brązu CuSn10P - wytop modyfikowany 0,04%Zr Fig. 1. b) Chart ATD for the bronze alloy CuSn10P - the smelting modified of 0,04%Zr
128 Rys. 1. c) Wykres ATD dla brązu CuSn10P, wytop - po 0,02% Mg,Fe + 0,04%Zr Fig. 1. c) Chart ATD for the bronze alloy CuSn10P - the smelting with the addition of 0,02% Mg, Fe and 0,04% Zr Analiza wykresów ATD wykazała, że dla wszystkich wytopów podczas krzepnięcia nie wystąpiło przechłodzenie. Na podstawie wyników badań ATD nie można stwierdzić wpływu mikrododatków Zr oraz Mg i Fe. 4. BADANIE STRUKTURY Obraz makro- i mikrostruktury brązu CuSn10P przedstawiono przykładowo na rys. 2, gdzie zastosowano powiększenie 2-krotne i 250- krotne. Mikrostrukturę badanego stopu analizowano przy użyciu mikroskopu optycznego. Modyfikacja spowodowała korzystną zmianę - rozdrobnienie makro- i mikrostruktury badanego stopu.
129 a) b) c) Rys.2 Makro- i mikrostruktura CuSn10P (2x i 250x): a) niemodyfikowany b) 0,04% Zr c) 0,04% Zr + po 0,02% Mg i Fe Fig.2 Macro- and microstructure of the CuSn10P tin bronze (2x and 250x): a) non modified b) with 0,04% Zr c ) with 0,04%Zr and 0,02% Mg and 0,02% Fe Brąz niemodyfikowany (rys.2a) wykazuje rozwinięte dendryty fazy α. Eutektyka + + Cu 3 P jest nierównomiernie rozmieszczona w przestrzeniach międzydendrytycznych. Dodatek cyrkonu spowodował znaczne rozdrobnienie
R m [MPa] A 5 [%] 130 dendrytów fazy α i równomierniejszy rozkład eutektyki + + Cu 3 P w przestrzeniach międzydendrytycznych (rys.2b). Modyfikacja brązu przejawia się w rozdrobnionych ziarnach makrostruktury oraz małych dendrytach fazy α. W tym przypadku wszystkie składniki struktury są równomiernie rozmieszczone. 5. BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH Wyniki badań właściwości mechanicznych wartości wskaźników R m, A 5, HB przedstawiono w tabeli 1 i na rys.3. Tabela 1. Wyniki pomiarów wskaźników R m, A 5, HB Table 1. Results of measurement R m, A 5, HB Nr wytopu R m, MPa A 5, % HB 0)bez modyfikacji 350 27 118 1) modyfikowany 0,04% Zr 410 30 126 2) modyfikowany 0,04% Zr + 0,02% Mg + 0,02% Fe 423 21 128 Z uzyskanych wyników pomiarów wynika, że modyfikacja brązu zarówno cyrkonem jak i mikrododatkami Zr-Mg-Fe spowodowała wyraźną poprawę wytrzymałości na rozciąganie stopu. Wysokie wartości wskaźnika R m osiągnięto po wprowadzeniu 0,04% mikrododatku cyrkonu (410 MPa), przy równoczesnym zachowaniu najwyższej wartości wydłużenia względnego A 5 (30%). Modyfikacja mieszaniną 0,04 % Zr i po 0,02% Mg i Fe spowodowała istotny wzrost R m (do 423MPa) i twardości ( do 128 HB) przy spadku A 5 (do 21%). 30 420 350 280 210 140 70 0 0 1 2 25 20 15 10 5 0 0 1 2 a) b)
HB 131 140 120 100 80 60 40 20 0 0 1 2 6. WNIOSKI c) Rys. 3. Wpływ modyfikacji na właściwości mechaniczne CuSn10P Fig. 3. The influence of the modification process on mechanical properties of the CuSn10P tin bronze Modyfikacja cyrkonem spowodowała korzystne zmiany przebiegu krystalizacji, struktury i właściwości mechanicznych badanego brązu. Optymalne wskaźniki właściwości mechanicznych zapewnia dodatek 0,04 % cyrkonu. Kolejne dodatki : 0,02% Mg i 0,02% Fe spowodowały wzrost wytrzymałości na rozciąganie (o 20%) i twardości (o 10%) przy niewielkim spadku wydłużenia względnego (o 20%) brązu CuSn10P. LITERATURA [1] Z. Górny : Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT, Warszawa 1992 [2] F. Romankiewicz : Krzepnięcie miedzi i jej stopów. PAN, Poznań - Zielona Góra 1995 [3] Głazowska : Badania nad poprawą skuteczności i trwałości modyfikacji brązów cynowych. Praca doktorska, Zielona Góra 2000. [4] J. Mutwil: Instrukcja obsługi mikrokomputerowego systemu pomiarów analogowych STAM-16, WSI, Zielona Góra 1990.
132 THE INFLUENCE OF THE MODIFICATION ON THE COURSE OF THE CRYSTALLIZATION, THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF THE TIN-PHOSPHOR BRONZE CuSn10P SUMMARY Research on the modification of CuSn10P tin bronze with a zirconium additive revealed the advantageous influence of that reagent on the microstructure and mechanical properties of the alloy. The effectiveness of the Zr influence was additionally improved by Mg and Fe microadditives. The modification process caused also the structure refinement, which influenced advantageously on the improvement of mechanical properties. The microadditives such as Zr, Mg and Fe caused the increase of values of the following factors: R m to 20%, HB to 10%. Recenzował dr hab. Jan Szajnar