34/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 000, Volume, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 000, Rocznik, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN 008-9386 WPŁYW DOMIESZKI CYNKU NA WŁAŚCIWOŚCI SILUMINU EUTEKTYCZNEGO A. PATEJUK Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej WAT Warszawa STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu podwyższonej zawartości cynku na właściwości stopu eutektycznego typu AL-Si. Stwierdzono, że domieszka cynku w ilości 3-4% wpływa niekorzystnie na właściwości badanego stopu. Przeprowadzenie obróbki cieplnej (przesycani + starzenie) nie powoduje wyraźnej poprawy jego właściwości mechanicznych. 1. WSTĘP Odlewnicze stopy aluminium wykazują zależnie od składu chemicznego, metody odlewania oraz warunków eksploatacji (obciążeń eksploatacyjnych), zróżnicowaną pod względem właściwości mechanicznych przydatność przemysłową [1]. Przykładem niespełnienia wymagań pokładanych w konstrukcji jest awaryjne pękanie jednego z elementów (wspornik) obciążanego niewielkimi zmiennymi siłami []. Nieprecyzyjne warunki charakteryzujące materiał na odlewy, zamieszczone w umowie (... silumin... o dowolnym składzie. ) spowodowały, że wytwórca tych odlewów nie zadbał o należyty poziom czystości materiału wsadowego (głównie zawartości cynku). Do ich wykonania użył stopu AK11 dodając jednocześnie pewną ilość złomu obiegowego, zawierającego między innymi stop Z40. Postępowanie takie spowodowało obniżenie właściwości wytwarzanych wyrobów. Powyższe, stało się inspiracją autora do przeprowadzenia głębszej analizy zjawiska i wyznaczenie zasięgu niekorzystnego wpływu podwyższonej zawartości cynku w stopie eutektycznym Al-Si.. STAN ZAGADNIENIA Pośród stopów układu Al-Si, w warunkach krajowych, znormalizowanym stopem najbardziej zbliżonym do stopu eutektycznego jest stop AK11. Stop ten
56 charakteryzuje się dobrymi własnościami odlewniczymi małym skurczem, dobrą lejnością i stosunkowo wysoką odpornością korozyjną [3, 4]. Posiada on jednak pewne wady. Jedną z ważniejszych, jest skłonność do tworzenia, zwłaszcza przy wolnym chłodzeniu, struktury zawierającej pierwotne kryształy krzemu [5, 6]. Dane literaturowe [5] wskazują, że w wyniku modyfikacji można uzyskać wyraźną poprawę własności mechanicznych - Rm do 50 MPa, A 5 do 8%. Natomiast z uwagi na niewielką poprawę własności mechanicznych w wyniku obróbki cieplnej, odlewów wykonanych ze stopu AK11 z reguły nie obrabia się cieplnie [1, 7]. Zanieczyszczenie stopu AK11 żelazem, w granicach górnej wartości dopuszczalnej normą, powoduje pojawienie się w jego strukturze niepożądanych faz, takich jak: Al 9 Fe Si lub Al 1 Fe 3 Si [8, 9]. Zwiększenie do kilkunastu procent zawartości cynku w stopach aluminium, przejawia się początkowo podwyższeniem właściwości mechanicznych. Jednak w wyniku starzenia się stopu, następuje wyraźny spadek tych właściwości. Objawia się to głównie, znaczną skłonnością do pękania przy obciążeniach udarowych. Zauważalnie obniża się również odporność korozyjna. Wpływ wybranych domieszek na właściwości stopu na osnowie Al przestawiono na rys. 1. a b 60 30 Twardość, HB 40 0 Si 0 1 3 4 5 Dodatki, % at. c 50 Wydłużenie, % 40 30 0 Zn Si Wytrzymałość, MPa 0 10 Si Zn 0 1 3 4 5 Dodatki, % at. 10 0 0, 0,4 0,6 0,8 1,0 Dodatki, % at. Rys. 1. Wpływ domieszek na właściwości stopu na bazie aluminium: a twardość, b wytrzymałość, c plastyczność Fig.1. The influence of the alloying additions on the mechanical properties of aluminium based alloy: hardness, b strength, c elongation Zn
57 3. WYNIKI BADAŃ Badania przeprowadzono na próbkach pochodzących z trzech wytopów różniących się składem chemicznym tabela 1. Potwierdzenie składu chemicznego materiału użytego na próbki do badań właściwości mechanicznych, przeprowadzono na spektrometrze absorbcji atomowej firmy Philips serii SP9. Wyniki badań (średnia wartość z trzech analiz wykonanych na każdej próbce) przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny materiału użytego w badaniach Table 1. Chemical composition of the investigated alloy Nr Skład Suma zanieczyszczeń Al Si Zn Fe Mn Cu Ni wytopu chemiczny 1 Założony reszta 1.03 0,16 0,65 0,09 0,1 0.15 1,6 (stop AK11) Uzyskany reszta 1,91 0,9 0,86 0,5 0,17 0,11 1,68 Założony reszta 1.03 3,0 0,65 0,09 0,1 0.15 4,10 Uzyskany reszta 11,88 3,15 0,78 0,11 0,19 0,14 4,37 Założony reszta 1.03 4,0 0,65 0,09 0,1 0.15 5,10 3 Uzyskany reszta 11,67 4,04 0,67 0,17 0,18 0,17 5,3 Wg PN-76/H-8807 reszta 10-13 Max max max max max max 0, 0,7 0,5 0,8 0,5,1 Badania właściwości mechanicznych przeprowadzono na próbkach pochodzących z trzech wytopów dla trzech stanów obróbki cieplnej (OC): A bez obróbki cieplnej, B przesycanych w temperaturze 530 o C w czasie 4 godzin, C przesycanych jak w B + starzenie w temperaturze 180 o C przez 1 godzin. Badania wytrzymałości doraźnej przeprowadzono na próbkach płaskich, na maszynie wytrzymałościowej Instron typu 8501 Plus. W trakcie badań prowadzono ciągłą komputerową rejestrację wyników. Uzyskane wyniki badań wskazują na stosunkowo niewielki wpływ OC na wytrzymałość doraźną rys. a. Po przesycaniu odnotowano nieznaczny wzrost plastyczności (A 5 ), natomiast starzenie powoduje jej ponowny spadek do poziomu sprzed przesycania rys. b. Pomiary twardości przeprowadzono na twardościomierzu Brinella przy obciążeniu F=50 KG, kulką o średnicy D=5 mm. Uzyskane wyniki wykazały, że wszystkie (pojedyncze) punkty pomiarowe twardości dla próbek pochodzących z wytopu nr i 3 (niezależnie od stanu OC) przekraczają poziom twardości, jaką charakteryzuje się stop AK11-55 HB (60 HB [7]) rys. c W kolejnym etapie wykonano testy udarności. Badania przeprowadzono na minimum trzech próbkach z każdego wytopu dla trzech stanów OC. W celu zwiększenia dokładności, testy przeprowadzono na młocie Charpy`ego, o obniżonym zakresie pomiarowym - 50J. Uzyskane wyniki (rys. d) wskazują na stosunkowo małą odporność badanego materiału na oddziaływania dynamiczne. We wszystkich przypadkach uzyskano bardzo niskie wartości energii wymaganej do zniszczenia próbki. Przy czym odnotowano wyraźny spadek udarności materiału próbek pochodzących z wytopów nr i 3.
58 a Wytrzymałość RM, MPa c 00 180 160 140 10 100 Wytop 1 Wytop Wytop 3 b Wydłużenie. % d 8 6 4 0 Wytop 1 Wytop Wytop 3 80 1 Twardość, HB 70 60 50 40 30 0 Wytop 1 Wytop Wytop 3 Udarność, KCU50 10 8 6 4 0 Wytop 1 Wytop Wytop 3 Rys.. Wpływ obróbki cieplnej na właściwości stopu Al.-Si: a twardość, b udarność, c wytrzymałość doraźna R m, d - wydłużenie Fig.. The influence of the heat treatment on the mechanical properties of Al-Si alloy: hardness, b impact toughness, c UTS, d elongation. Obserwacje przeprowadzone na mikroskopie elektronowym Philips XL30LaB6, potwierdziły, że próbka nr 1 posiada typową budowę mikrostruktury, charakterystyczną dla siluminu eutektycznego. Jest to mikrostruktura siluminu niemodyfikowanego zawierająca pierwotne kryształy roztworu na bazie krzemu rys. a. Natomiast próbka pochodząca z wytopu nr, posiada mikrostrukturę siluminu z oznakami modyfikacji. W mikrostrukturze tego stopu pierwotne kryształy roztworu na bazie krzemu występują sporadycznie, a ich wielkość jest zdecydowanie mniejsza. Próbka pochodząca z wytopu nr 3, posiada mikrostrukturę podobną jak próbka z wytopu nr. Analiza składu chemicznego faz występujących w badanych materiałach potwierdziła, że wydzielenia oznaczone symbolem 1 na rys. 3a, to roztwór krzemu. Natomiast wydzielenia oznaczone symbolem na rys. 3b to roztwór na osnowie aluminium. Stwierdzono w nim stosunkowo wysokiej zawartości cynku około 5.6%.
59 a b c 3a 3b a 1 Rys. 3. Mikrostruktura materiału pochodzącego z wytopu: a nr 1-A, b nr -A, c nr 3-B Fig. 3. Microstructure of as-cast material: a no. 1-A, b- no. -A, c no. 3-B Analiza składu chemicznego obszaru oznaczonego symbolem 3a i b na rys. 3b wykazała, że jest to strefa o zwiększonej ilości zanieczyszczeń głównie żelazem, manganem i cynkiem. W mikrostrukturze tej próbki nawet optycznie daje się zauważyć (na podstawie zróżnicowanej intensywności nasycenia bielą) dwie odmienne fazy. Faza oznaczona symbolem 3a zawiera podwyższone zawartości: Fe ( 0%), Mn ( 4%), Zn ( %). Natomiast występująca sporadycznie faza 3b, zawiera głównie: Cu ( 30%), Ni ( 18%), Zn ( 4%). Strefy o zwiększonej ilości zanieczyszczeń występują również próbce pochodzącej z wytopu 3. Analiza składu chemicznego eutektyki potwierdziła, że głównymi jej składnikami są roztwory na bazie krzemu oraz na bazie aluminium (oznaczone a na rys. 3b). Obserwacje mikroskopowe wykazały, że przesycanie próbek niezależnie od wytopu spowodowało defragmentację eutektycznych płytek krzemu, z wyraźnymi oznakami ich koagulacji rys. 3c. Natomiast poddanie próbek starzeniu doprowadziło do pojawienia się drobnych wydzieleń faz umacniających typowych oznak przeprowadzenia tego typu OC (szczególnie wyraźnie zauważalne jest to w próbkach pochodzących z wytopu i 3). a b 1 Rys. 4. Topografia złomu próbki pochodzącej z wytopu: a nr 1, b nr 3 Fig. 4. Fracture surfaces of as-cast specimens: a no. 1, b-no. 3
60 Obserwacje złomów próbek pochodzących z wytopu 1 wykazały, że posiadają one strefy zawierające wgłębienia (dołki) rys. 4a. Wnikliwa obserwacja tych miejsc, potwierdzona analizą chemiczną mikroobszarów (miejsca oznaczonego symbolem na rys. 4a) wskazuje, że są to ubytki powstałe w wyniku wykruszenia się (wypadnięcia podczas pękania) kryształów krzemu oznaczenie 1 na rys. 4a. Powyższą tezę potwierdza również fakt, że podobnych efektów nie stwierdzono na złomach próbek pochodzących z wytopu i 3 gdyż na zgładach metalograficznych tych próbek nie zaobserwowano występowania dużych kryształów roztworu na osnowie krzemu. 4. WNIOSKI Przeprowadzone badania pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków końcowych: 1. Wzrost zawartości cynku (3-4%) w siluminie eutektycznym powoduje obniżenie właściwości mechanicznych tego stopu.. Obróbka cieplna (przesycanie + starzenie) siluminów eutektycznych zawierających 3-4% cynku nie poprawia wyraźnie ich właściwości mechanicznych. LITERRATURA [1] Z. Górny: Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT, Warszawa 199. [] Patejuk: Opinia techniczna z dnia 10.0.000r materiały nie publikowane. [3] Tabor, J. S. Rączka: Odlewnictwo. Wyd. Fotobit, Kraków 1996. [4] Boczek, A. Zaborowski: Stopy aluminium przeznaczone do pracy w warunkach zagrożenia wybuchowego. Inżynieria materiałowa 4-5 (1986) 114-119. [5] S. Rudnik: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1980. [6] K. Przybyłowicz: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1994. [7] Bylica: Materiałoznawstwo laboratorium. Wyd. WSP, Rzeszów 1994. [8] K. Sękowski, J. Piaskowski, Z. Wojtowicz: Atlas struktur znormalizowanych stopów odlewniczych. WNT, Warszawa 197. [9] R. Seges: Mikrostruktura, właściwości i zastosowanie przykładowych stopów aluminium. Wyd. IMiMT WAT, Warszawa 1999. THE INFLUENCE OF ZINC ADDITIONS ON THE PROPERTIES OF EUTECTIC SILUMIN SUMMARY The paper presents the influence of zinc alloying additions on the properties of eutectic Al-Si alloy. It was found that 3-4% zinc alloying additions have not beneficial influence on the properties of investigated alloy. The solution and ageing heat treatments don t cause a distinct improvement in their mechanical properties. Reviewed by prof. Stanisław Jura