WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW TECHNOLOGICZNYCH NA BUDOWĘ WARSTWY ALFINOWANEJ NA STOPACH ŻELAZA

32/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN Katowice PL ISSN 16425308 WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW TECHNOLOGICZNYCH NA BUDOWĘ WARSTWY ALFINOWANEJ NA STOPACH ŻELAZA S. PIETROWSKI 1, T. SZYMCZAK 2 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90924 Łódź STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań warstwy alfinowanej na stopach żelaza. Podano jej budowę oraz mikrostrukturę. Omówiono wybrane czynniki technologiczne wpływające na grubość warstwy. Wykazano, że decyduje o niej: rodzaj stopu żelaza, chropowatość jego powierzchni, czas wytrzymania w kąpieli siluminowej, temperatura kąpieli oraz stężenie w niej krzemu. Wyniki badań zweryfikowano w warunkach produkcyjnych wytwarzania odlewu warstwowego. Key words: iron alloys, aplfinizing 1. WSTĘP Technologia otrzymywania odlewów warstwowych znana jest od wielu lat. Pomimo tego, ich wytwarzanie napotyka wiele trudności technologicznych, które wyn i kają z nieznajomości procesów zapewniających otrzymanie trwałego połączenia na granicy warstw. Proces tworzenia trwałego połączenia można podzielić na trzy etapy: zwilżanie powierzchni wtopki przez ciekły stop, dyfuzja w układzie powierzchnia wtopki ciekły stop (tworzenie strefy przejściowej w wyniku rozpuszczania oraz krystalizacji nowych faz) i dyfuzja pomiędzy stopami w stanie stałym (po zakrzepnięciu strefy przejściowej). Etapy te występują również w technologii alfinowania. Polega ona na połączeniu dwóch elementów: jednego ze stopu żelaza (wtopki) z drugim wykon a 1 prof. dr hab. inż., stanislaw.pietrowski@p.lodz.pl 2 mgr inż., tunio100@wp.pl 251

nym z siluminu poprzez utworzoną uprzednio na wtopce warstwę pośrednią (alfinowaną) metodą zanurzeniową w kąpieli AlSi. Proces ten stosowany jest od dawna do połączenia wkładki podpierścieniowej wykonanej z żeliwa austenitycznego Niresist z tłokiem do silników spalinowych silnie obciążonych. Po alfinowaniu wkładka umieszczona jest w kokili i zalana siluminem tłokowym. W ostatnich latach (od 2002r.) technologię tą zastosowano do zawieszenia samochodowego[1, 2]. Wkładka z żeliwa sferoidalnego po alfinowaniu zalewana jest siluminem AlSi7. Pomimo stosowania technologii alfinowania i jej rozszerzania na różne elementy maszyn proces nie został dokładnie rozpoznany. Aktualnie z tego zakresu prowadzone są badania, których częściowe wyn i ki przedstawiono w pracach[3 6]. W związku z tym, celem niniejszej pracy jest przedstawienie wpływu wybranych czynników technologicznych na tworzenie warstwy alfinowanej na stopach żelaza oraz połączenia jej z siluminem. 2. METODYKA BADAŃ Do badań zastosowano następujące stopy żelaza: armco, stal 45, żeliwo szare ENGJ250, sferoidalne ENGJS45010 i austenityczne Niresist. Ich skład chemiczny przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny stopów żelaza Table 1. The chemical composition of iron alloys Lp. Stop Skład chemiczny stopów, % C Si Mn P S Cr Cu Ni 1 armco 0,028 0,0024 0,022 0,001 0,012 2 45 0,43 0,37 0,58 0,033 0,03 3 szare 3,38 2,26 0,52 0,08 0,06 4 sfero 3,58 2,56 0,55 0,04 0,02 5 austenityczne 2,85 2,22 1,36 0,04 0,05 1,78 6,85 14,28 Próbki do badań miały średnicę 10mm i długość 50mm. Różną wysokość chropowatości Rz na próbkach uzyskano po toczeniu: zgrubnym i dokładnym oraz szlifowaniu. Przed alfinowaniem próbki odtłuszczano i podgrzewano wstępnie w s u szarce do 50 C. Alfinowanie przeprowadzano w stopach o składzie podanym w tabeli 2. Próby przemysłowe odlewania korpusu sprężarki, w którym tuleje alfinowane z żeliwa szarego perlitycznego zalewano siluminem ENACAlSi9 wykonano w WSK Rzeszów. 252

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Tabela 2. Skład chemiczny stopów do kąpieli alfinującej Table 2. The chemical composition of alloys to the alphinizing bath Lp. Stop Skład chemiczny stopów, % Al Si Fe Mg Ti 1 Al 99,85 99,85 0,11 0,04 2 AlSi 1,5 98,40 1,42 0,14 0,02 0,02 3 AlSi 7 92,52 7,25 0,17 0,04 0,02 4 AlSi 11 88,75 10,80 0,16 0,05 0,08 5 AlSi 12 86,83 12,95 0,15 0,05 0,02 6 AlSi 17 82,51 17,25 0,17 0,05 0,02 Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie optycznym i elektron o wym skaningowym firmy Jeol. Mikroanalizę liniową i punktową stężenia pierwiastków oraz dyfrakcję rentgenowską wykonano odpowiednio na mikroanalizatorze i dyfrakt o metrze firmy Jeol. 3. WYNIKI BADAŃ Przeprowadzone badania wykazały, że budowa fazowa warstwy alfinowanej zależy od materiału wtopki, przy założeniu, że kąpiel alfinowana jest siluminem. Grubość warstwy alfinowanej zależy od zawartości krzemu w kąpieli, jej temperatury, czasu wytrzymania, rodzaju materiału wtopki oraz wysokości chropowatości. Reprezentatywne przykłady warstwy alfinowanej na żelazie armco, stali 45, żeliwie szarym ENGJ250 i sferoidalnym ENGJS45010 po 180s wytrzymania w kąpieli o temperaturze 750 C pokazano na rysunku 1 (a d). Powłoka alfinowana składa się z czterech warstw. Pierwszej, przylegającej bezpośrednio do podłoża o niewielkiej grubości zawartej w przedziale 8 10 m. Do niej przylega jasnoszara warstwa jako druga, na której występuje kolejna warstwa i warstwa czwarta silumin. Badania mikroanalizą rentgenowską liniową i punktową stężenia pierwiastków: Al, Si, Fe i C w powłoce alfinowanej w kąpieli AlSi11 wykazały znaczne ich zróżnicowanie. Przykładowo na rysunku 2 (a c) przedstawiono punkty pomiarowe 1 4, w których badano stężenie pierwiastków na armco i stali 45, a na rysunku 3 (a c) na żeliwie szarym i sferoidalnym. Średnie stężenie badanych pierwias t ków w poszczególnych punktach 1 4 przedstawiono w tabeli 2. Punkt pomiarowy 1 umieszczony był w warstwie zbudowanej z siluminu, stąd jest wysokie w nim stężenie Al = 95 98% oraz niewielkie Fe i Si. W punkcie 2 umieszczonym na warstwie jasnoszarej, w pobliżu warstwy siluminu, w badanych stopach żelaza występuje bardzo p o dobne stężenie: Al = 54 55%; Fe = 35 36% i Si = 9 10%. W tej samej warstwie ale w punkcie 3 położonym bliżej podłoża, w żelazie armco i stali 45 są również podobne stężenia: Al = 48 49%; Fe = 48% i Si = 2,5%. Jednak zmniejszyło się stężenie Al i Si a zwiększyło Fe. 253

a) b) c) d) Rys. 1. Reprezentatywne przykłady warstwy alfinowanej w kąpieli AlSi11 o temperaturze 750 C i czasie zanurzenia 180s na: a armco, b stali 45, c żeliwie szarym, d żeliwie sferoidalnym Fig. 1. Representative alphinizing coats in AlSi11 bath at 750 C, 180s on: a armco iron, b 45 steel, c gray cast iron, d ductile cast iron W obu gatunkach żeliwa, w punkcie 2 występuje podobne stężenie Al, Fe i Si jak w stali. W punkcie 3 w porównaniu ze stalą zwiększyło się niewiele stężenie Al( 2,0%), istotnie stężenie Si oraz zmalało Fe. W punkcie 4 w stalach, występuje wysokie stężenie Al = 51% i Fe = 48% przy niewielkiej ilości Si = 1%, natomiast w żeliwie jest niewielkie stężenie Al = 0,7% oraz znaczne Fe = 82% i Si = 11%, występuje również węgiel w ilości C = 6%. W wyniku dyfrakcji rentgenowskiej stwierdzono, że bezpośrednio na podłożu w stalach krystalizuje faza Al 3 Fe, a w żeliwach żelazokrzemowy węglik Fe 4 CSi. W stanie równowagowym zawiera on 4,55% C i 10,66% Si[7]. Na tych warstwach krystalizuje faza Al 12 Fe 3 Si 2, która w stanie równowagowym zawiera: 32,25% Fe; 5,44% Si oraz 62,30% Al[8]. Na niej krystalizuje faza Al 9 Fe 3 Si 2 o stężeniu równowagowym: 27,17% Fe; 13,77% Si oraz 59,05% Al[8]. Faza ta występuje również w warstwie siluminu ENACAlSi11 (rys. 3b). 254

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 2. Budowa warstwy alfinowanej oraz punkty pomiarowe badania stężenia: Al, Fe i Si: a żelazo armco, b stal 45, c powiększenie warstwy 4 z rys. b Fig. 2. The structure of the alphinizing coat and testing points of Al, Fe and Si concentration: a armco iron, b 45 steel, c magnification of 4 coat from fig. b Rys. 3. Budowa warstwy alfinowanej oraz punkty pomiarowe badania stężenia: Al, Si, Fe i C: a i b żeliwo szare, c żeliwo sferoidalne Fig. 3. The structure of the alphinizing coat and testing points of Al, Si, Fe and C concentration: a and b gray cast iron, c ductile cast iron 255

Tabela 3. Stężenie Al, Si, Fe i C w punktach pomiarowych 1 4 warstwy alfinowanej na stali i żeliwie otrzymanej po alfinowaniu w kąpieli o temperaturze 750 C i czasie 180s Table 3. Al, Si, Fe and C concentration in 1 4 testing points, of the alphinizing coat on steel and cast iron obtained after alphinizing in bath at 750 C, 180s Stężenie pierwiastków, % Nr punktu pomiarowego Stal wtopka Pierwiastek Żeliwo 1 Al Fe Si 2 Al Fe Si 3 Al Fe Si 3 żeliwo sferoidalne; odpowiada pkt. 4 na armco (rys. 2a) i pkt. 2 na 45 (rys. 2c) Al Fe Si C 1 rys. 2c Al Fe Si 4 rys. 3(b i c) Al Fe Si armco 45 szare sferoidalne 95,76 97,84 98,02 98,27 1,11 0,51 0,63 0,60 3,14 1,66 1,35 1,13 54,62 36,13 9,25 48,66 48,71 2,63 50,96 47,71 1,33 54,45 35,15 10,40 49,28 48,55 2,17 50,59 48,50 0,91 51,80 42,98 5,22 55,19 35,09 9,72 51,98 42,74 5,28 60,15 25,84 14,01 54,09 35,84 10,07 0,73 81,82 11,31 6,14 62,81 21,15 16,04 Na rysunku 4 przedstawiono przykładowo wpływ rodzaju materiału i czasu alfinowania w kąpieli AlSi11 o temperaturze 750 C na grubość warstwy alfinowanej. Wynika z niego, że najmniejszą grubość powłoki uzyskuje się na żelazie armco, a największą na żeliwie austenitycznym. Stąd wniosek, że przy stałej temperaturze kąpieli alfinującej, o grubości warstwy alfinowanej na stopach żelaza decyduje skład chemiczny i mikrostruktura stopu. Wzrost zawartości węgla i krzemu przyśpiesza proces wzrostu warstwy alfinowanej. Podobnie oddziaływuje zmiana mikrostruktury od ferrytycznej poprzez ferrytycznoperlityczną, perlityczną do austenitycznej i obecność w niej wydzieleń grafitu. Wpływ temperatury kąpieli alfinującej i czasu zanurzenia próbki na grubość warstwy alfinowanej przedstawiono przykładowo dla żeliwa szarego na rysunku 5. Wynika z niego, że w temperaturze kąpieli 650 C dopiero po 180s tworzy się warstwa o niewielkiej grubości (około 56 m). Najgrubsza warstwa występuje po alfinowaniu w kąpieli o temperaturze 950 C. Wzrost temperatury kąpieli alfinującej powyżej 750 C do 950 C, niezależnie od czasu alfinowania, powoduje nieciągłoś ć budowy (fragmentyzację) faz Al 12 Fe 3 Si 2 i Al 9 Fe 3 Si 2, jak to przykładowo pokazano na rysunku 6. Wydłużenie czasu alfinowania również powoduje wzrost grubości warstwy. Przeprowadzone badania wykazały, że optymalna temperatura i czas alfinowania ze względu na jakość powłoki i jej późniejsze połączenie z siluminem, wynoszą: 750 C i 180s. 256

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 4. Wpływ rodzaju materiału i czasu alfinowania w kąpieli AlSi11 o temperaturze 750 C na grubość powłoki Fig. 4. The influence of a sort of material and alphinizing time in AlSi11 bath at 750 C on the coat thickness Rys. 5. Wpływ temperatury kąpieli alfinującej i czasu zanurzenia próbki na grubość warstwy alfinowanej Fig. 5. The influence of the alphinizing bath temperature and immersion time of a sample on the thickness of alphinizing coat 257

Rys. 6. Fragmentyzacja faz Al 12 Fe 3 Si 2 i Al 9 Fe 3 Si 2 w powłoce alfinowanej Fig. 6. The fragmentation of Al 12 Fe 3 Si 2 and Al 9 Fe 3 Si 2 phases in the alphinizing coat 40 m Rys. 7. Wpływ ilości krzemu w kąpieli alfinującej i czasu wytrzymania wtopki na grubość warstwy alfinowanej na żeliwie szarym Fig. 7. The influence of Si in alphinizing bath and immersion time of element on the thickness of the alphinizing coat on gray cast iron 258

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Na rysunku 7 przedstawiono przykładowo wpływ ilości krzemu w kąpieli alfinującej i czasu wytrzymania wtopki na grubość warstwy alfinowanej na żeliwie szarym. Wynika z niego, że największą grubość warstwy otrzymuje się dla technicznie czystego aluminium oraz zawierającego około 1,5% Si. Wzrost stężenia krzemu do pun ktu eutektycznego w kąpieli alfinującej, zmniejsza grubość warstwy. Przy stężeniach krzemu większych od punktu eutektycznego (siluminy: AlSi12 i AlSi17) również maleje grubość warstwy ze zwiększeniem krzemu. Uzyskane grubości warstwy są jednak większe w porównaniu z siluminami podeutektycznymi (AlSi7 i AlSi11). Należy przypuszczać, że jest to związane z oddziaływaniem kryształów krzemu pierwotnego na kinetykę krystalizacji warstwy alfinowanej. Alfinowanie wtopki w aluminium powoduje utworzenie warstwy złożo nej wyłącznie z Al 3 Fe jak to przykładowo przedstawiono na rysunku 8(a c). a) b) 259

c) Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: 35.4667 Live Time: 56 seconds Dead Time: 20.021 Element kratio ZAF Atom % Element Wt % Err. (calc.) Wt % (1Sigma) AlK 0.3580 1.467 68.85 52.52 +/ 0.25 SiK 0.0093 1.852 2.16 1.72 +/ 0.10 FeK 0.4203 1.089 28.99 45.77 +/ 0.59 Total 100.00 100.00 Rys. 8. Wyniki mikroanalizy stężenia pierwiastków w warstwie naniesionej w kąpieli aluminiowej o temperaturze 750 C i w czasie 180s: a linia pomiaru; b liniowy rozkład Al, Fe, C i Si; c średnie stężenie Al, Fe i Si w obszarze warstwy dyfuzyjnej Fig. 8. Results of microanalysis of elements concentration in the coat obtained in aluminum bath at 750 C, 180s: a measurement line; b linear distribution of Al, Fe, C and Si; c average concentration of Al, Fe and Si in the diffusion coat zone Reprezentatywne przykłady warstwy alfinowanej na żeliwie szarym w kąpieli zawierającej różne ilości krzemu, o temperaturze 750 C i w czasie 60 180 s przedstawiono na rysunkach 9, 10 12 (a c). Rys. 9. Warstwa alfinowana w kąpieli aluminiowej Fig. 9. The coat obtained in aluminum bath 260

ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) c) Rys. 10. Warstwa alfinowana w kąpieli o zawartości 1,5% Si w czasie: a 60s, b 120s, c 180s Fig. 10. The coat obtained in bath with 1,5% Si after: a 60s; b 120s; c 180s a) b) 261

c) Rys. 11. Warstwa alfinowana w kąpieli siluminowej o zawartości 7% Si w czasie: a 60s, b 120s, c 180s Fig. 11. The coat obtained in bath with 7% Si after: a 60s; b 120s; c 180s a) b) c) Rys. 12. Warstwa alfinowana w kąpieli siluminowej o zawartości 12% Si w czasie: a 60s, b 120s, c 180s Fig. 12. The coat obtained in bath with 12% Si after: a 60s; b 120s; c 180s 262

ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) c) Rys. 13. Warstwa alfinowana w kąpieli siluminowej o zawartości 17% Si w czasie: a 60s, b 120s, c 180s Fig. 13. The coat obtained in bath with 17% Si after: a 60s; b 120s; c 180s Na grubość warstwy alfinowanej wpływa również wysokość chropowatości Rz powierzchni alfinowanej, wynikająca z rodzaju i parametrów obróbki skrawaniem. Wpływ Rz na grubość warstwy alfinowanej na stopach żelaza przedstawiono na rysunku 14. Wynika z niego, że niezależnie od rodzaju stopu, początkowo, ze wzrostem Rz grubość warstwy zwiększa się do pewnej wielkości krytycznej powyżej, której maleje. Wartość krytyczna dla stali zawiera się w zakresie Rz = 22 27 m, a dla żeliwa Rz = 31 35 m. Otrzymane wyniki badań zweryfikowano w warunkach produkcyjnych w WSK Rzeszów na przykładzie odlewu warstwowego korpusu sprężarki. Odlew złożony był z tulei cylindrowej wykonanej z żeliwa szarego perlitycznego, która po alfinowaniu zalana była siluminem AlSi9, stanowiącym korpus sprężarki. Przykładowo, alfinowaną tuleję cylindrową pokazano na rysunku 15. Żeliwne tuleje cylindrowe mogą być pojedyncze lub podwójne. Przykład tulei cylindrowych podwójnych po alfinowaniu i zalaniu siluminem pokazano na rysunku 16. 263

Rys. 14. Wpływ wysokości chropowatości Rz na grubość powłoki otrzymanej po zanurzeniu w kąpieli AlSi11 o temperaturze 750 C w czasie 180s Fig. 14. The influence of Rz roughness on the coat thickness obtained after immersion in AlSi11 bath (750 C, 180s) Rys. 15. Tuleja cylindrowa po alfinowaniu Fig. 15. A cylinder liner after alphinizing 264

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rys. 16. Przekrój korpusu sprężarki z żeliwnymi tulejami cylindrowymi Fig. 16. A section of a compressor frame with cast iron cylinder liners Poprawność połączenia wtopki z naniesioną zanurzeniowo warstwą alfinowaną z siluminem, tworzącego określoną całość elementu urządzenia lub maszyny (odlew warstwowy) uzyskuje się gdy czas od zakończenia alfinowania do zalania wtopki siluminem nie przekracza 30s. Przykładowe połączenie warstwy alfinowanej z siluminem ENAC AlSi9 pokazano na rysunku 17. 4. WNIOSKI Rys. 17. Połączenie warstwy alfinowanej z siluminem Fig. 17. A joint of the alphinizing coat with silumin Z przedstawionych w pracy danych wynikają następujące wnioski: powłoka alfinowana zbudowana jest z czterech warstw, przy czym budowa pierwszej od podłoża zależy od rodzaju stopu żelaza, oraz zawartości krzemu w kąpieli alfinującej, o grubości powłoki alfinowanej decydują: rodzaj materiału alfinowanego, jego chropowatość, temperatura i skład kąpieli oraz czas alfinowania, 265

poprawne połączenie wtopki przez warstwę alfinowaną z siluminem, uzyskuje się, gdy czas od zakończenia alfinowania do zalania jest krótszy od 30s. LITERATURA [1] J. C. Viala, M. Peronnet, F. Barbeau, F. Bosselet, J. Bouix: Interface chemistry in aluminum alloy casting reinforced with iron base inserts. Composites, nr A33 (2002). [2] P. Nowak: Badania modelowe kształtowania struktury i właściwości strefy przejściowej w odlewach warstwowych. Rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, Katowice (2005). [3] S. Pietrowski: Budowa warstwy alfinowanej na żeliwie szarym. Archiwum Odlewnictwa, nr 11 (2004). [4] S. Pietrowski, T. Szymczak: Budowa zanurzeniowych powłok AlSi na stopach żelaza. Archiwum Odlewnictwa, nr 12 (2004). [5] S. Pietrowski, T. Szymczak: Budowa połączenia powłoki alfinowanej z siluminem. Archiwum Odlewnictwa, nr 14 (2004). [6] Pietrowski S., Szymczak T.: Wpływ chropowatości powierzchni materiału na grubość powłoki po alfinowaniu. Archiwum Odlewnictwa, nr 17 (2005). [7] Podrzucki C.: Żeliwo. Budowa, właściwości, zastosowanie. ZG STOP, Kraków (1991). [8] Sękowski K., Piaskowski J., Wojtowicz Z.: Atlas struktur znormalizowanych stopów odlewniczych. WNT, Warszawa (1972). THE INFLUENCE OF SELECTED TECHNOLOGICAL ELEMENTS ON THE STRUCTURE OF ALPHINIZING COAT ON IRON ALLOYS SUMMARY In this paper the results of alphinizing coat on iron alloys have been presented. The structure and microstructure of the coat have been presented. Selected technological elements which have the influence on the coat thickness have been discussed. It was demonstrated, that kind of iron alloy, the roughness of its surface, time of silumin bath, bath temperature and Si concentration decided on it. The results were verified in production conditions of layered cast. Pracę zrealizowano w ramach grantu badawczego nr 3T08C 033 28 Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Edward Guzik 266