48/14 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 14 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 14 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 WSKAŹNIK JAKOŚCI ODLEWÓW ZE STOPU Al-Si A. W. ORŁOWICZ 1, M. MRÓZ 2 Zakład Odlewnictwa i Spawalnictwa, Politechnika Rzeszowska ul. W. Pola 2, 35-959 Rzeszów STRESZCZENIE Wskaźnik jakości Q jest coraz częściej stosowany w praktyce przemysłowej do oceny efektu szybkości krystalizacji, dodatków stopowych i obróbki cieplnej na plastyczność i wytrzymałość na rozciąganie stopu Al-7SiMg [1-3]. W pracy przedstawiono wyniki badań nad poprawą wskaźnika jakości stopu drogą zmiany składu chemicznego i poprzez obróbkę cieplną. Key words: Al-Si alloy, heat treatment, quality index. 1. WSTĘP Wskaźnik jakości (quality index) zaproponowali Drouzy, Jacobs i Richard [1]. Oblicza się go z wyrażenia: Q = R m + d log (%wydłużenia), MPa (1) gdzie: d wskaźnik określony doświadczalnie (d = 150 MPa dla stopu Al-7Si-0.4Mg) Analiza struktury stopu Al-Si zawierającego magnez wskazuje na występowanie czterech podstawowych typów faz. Są to: 1- roztwór stały (Al),2 wydzielenia krzemu (Si), 3 fazy żelazowe i 4 fazę zawierającą magnez M(Mg 2 Si). Przy nagrzewaniu odlewów ze stopu Al-Si-Mg do temperatury przesycania następuje rozpuszczenie fazy typu 4 w roztworze stałym (Al) i zmiana morfologii wydzieleń krzemu. Morfologia wydzieleń faz żelazowych nie ulega zmianie [4]. W procesie starzenia następuje wydzielanie metastabilnych faz o składzie zbliżonym do Mg 2 Si. Efektem tego jest utwardzenie stopu. W pracy analizowano stop Al-7SiMg, w którym 1 dr hab. inż., prof.prz, aworlow@prz.rzeszow.pl 2 dr inż., mfmroz@prz.rzeszow.pl
364 zmieniono zawartość magnezu i wykonano modyfikację. Dla doboru parametrów obróbki cieplnej wykonano badania kinetyki procesu przesycania i starzenia. Badano materiał w stanie surowym i po obróbce cieplnej. W badaniach kinetyki procesu przesycania i starzenia konstruuje się wykresy w układzie twardość-czas.w oparciu o uzyskane zależności powinno się dobierać parametry obróbki cieplnej. W ostatnim okresie czasu zagadnieniem tym zajmuje się wielu autorów. Badania te prowadzone są dla stopów modyfikowanych sodem, bizmutem, strontem i TiB w powiązaniu z badaniami właściwości mechanicznych i oceną wskaźnika jakości. Celem pracy była ocena wskaźnika jakości odlewów ze stopu produkcyjnego Al- 7SiMg. 2. MATERIAŁ DO BADAŃ I OBRÓBKA CIEPLNA Materiałem do badań były stopy o składzie chemicznym podanym w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny stopów. Table 1. Chemical composition alloys. Nr Skład chemiczny Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Pb Na Sr Ti B 1 6,95 0,27 0,10 0,14 0,30 0,005 0,03 0,015 0,0089-0,126 0,0005 2 7,09 0,27 0,09 0,13 0,53 0,005 0,03 0,015 0,0091 0,0299 0,126 0,0005 * 6,5-7,5 0,19 0,05 0,10 0,25-0,45-0,07 - - - 0,08-0,25 * EN-AC-AlSi7Mg0.3 Stopem o temperaturze 730 o C zalewano kokilę nagrzaną do temperatury 400 o C. Po dwóch minutach od momentu zalania odlew wyjmowano i chłodzone na powietrzu. Temperatura wnęki formy w momencie wyjmowania odlewu wynosiła 450 o C. Przykładowy odlew przedstawiono na rysunku 1. Rys.1. Przykład odlewu. Fig.1. Example of casting. Obróbkę cieplna próbek wykonano według wariantu T6 (przesycanie i sztuczne starzenie). Próbki wygrzewano w temperaturze 535 o C w czasie 5 godzin i chłodzono w wodzie o temperaturze 20 o C, gdyż taki sposób chłodzenia pozwala uzyskać twardości wyższe niż po chłodzeniu w wodzie o podwyższonej temperaturze, co często obserwuje się w praktyce produkcyjnej. Starzenie wykonano w temperaturze 175 o C w czasie 5 godzin z następnym chłodzeniem w powietrzu. Badania kinetyki starzenia wykazały, że
365 stosując ten czas starzenia uzyskać można zadawalająco wysoką twardość, zbliżoną do twardości po czasie starzenia 10 godzin. 3. BADANIA MIKROSTRUKTURY Na próbkach użytych do oceny właściwości mechanicznych wykonano badania mikrostruktury. Wpływ obróbki cieplnej na morfologię krzemu w stopie nr 2 przedstawiono na rysunku 2. a) b) Rys.2. Wpływ obróbki cieplnej na morfologię kryształów krzemu w stopie nr 2; a) stan surowy, b) stan po obróbce cieplnej (pow. x625). Fig.2. Microstructures depicting the morphology of eutectic Si as a function of the heat treatment; a) as cast microstructures, b) after heat treatment (pow. x625). Odległość między osiami drugiego rzędu dendrytów fazy (Al) 2D w stopie nr 2 w stanie surowym wynosiła 2D = 32,05 m. Określona z zależności podanej przez Speara
366 i Gardnera [5] szybkość chłodzenia stopu wynosiła 2,15 o C/s. Po obróbce cieplnej wartość parametru 2D wzrosła do 2D = 34,46 m. Taki charakter zmian jest zgodny z wynikami pracy [6]. W efekcie obróbki cieplnej nastąpiła zmiana morfologii kryształów krzemu w wyniku tego zmieniła się odległość między nimi od E = 2,77 m dla stanu surowego do E = 6,21 m po obróbce cieplnej. 4. BADANIA WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNYCH Wyniki badań właściwości mechanicznych stopu nr 1 po obróbce cieplnej przedstawiono na rysunku 3. Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono wyniki badań właściwości mechaniczny stopu nr 2 w stanie surowym i po obróbce cieplnej. Rys.3. Wyniki badań właściwości mechanicznych stopu nr 1 po obróbce cieplnej (T6). Fig.3. Results of researches of mechanical proprieties alloy No 1 after heat treatment (T6). Zgodnie z PN-EN 1706 stop EN-AC-AlSi7Mg0.3 odlany do formy metalowej i poddany obróbce cieplnej (T6) powinien wykazać właściwości nie mniejszej niż R m = 290 MPa, R p0,2 = 210 MPa, A 50 = 4% i 90 HBS. Stop nr 1 charakteryzował się zadawalającym wydłużeniem i twardością, ale wykazał zbyt niską wytrzymałość na rozciąganie i umowną granicę plastyczności, chociaż jego wskaźnik jakości był wysoki. Stop nr 2 w stanie surowym charakteryzował się zbyt niskimi właściwościami mechanicznymi (rys.4). Dzięki obróbce cieplnej tego stopu według podanego schematu uzyskano zadawalające wartości R m, R p0,2 oraz HBS (rys. 5). Jedynie zbyt niskie było wydłużenie. Jeżeli klient zażyczy sobie wyższe wartości wydłużenia to skutecznie można temu zaradzić stosując wyższą temperaturę starzenia. Oczywiście będzie to
367 wiązać się z obniżeniem wartości wytrzymałości na rozciąganie i twardości, ale uzyskane wyniki wskazują na wystarczający zapas wartości tych właściwości. Rys.4. Wyniki badań właściwości mechanicznych stopu nr 2 w stanie surowym. Fig.4. Results of researches of mechanical propriety alloy No 2 as base material. Rys.5. Wyniki badań właściwości mechanicznych stopu nr 2 po obróbce cieplnej (T6). Fig.5. Results of researches of mechanical proprieties alloy No 2 after heat treatment (T6).
368 Poprzez dobór składu chemicznego i obróbkę cieplną uzyskano poprawę wskaźnika jakości stopu nr 2 od Q = 152 MPa do Q = 326 MPa. 5. PODSUMOWANIE Poprzez dobór składu chemicznego i parametrów obróbki cieplnej produkcyjnego stopu Al-Si uzyskano zadawalające klienta właściwości mechaniczne i wskaźnik jakości odlewów. LITERATURA [1] M. Drouzy, S. Jacob, M. Richard: Interpretation of tensile results by means of quality index and probably yield strength. AFS Int. Cast Metals Inc., 1980, 5, 43-50. [2] T. Din, A.K.M.B. Rashid and J.Campbell: High strength aerospace casting alloys: quality factor assessment. Mater. Sci. Technol., 1996, 12, 269-273. [3] C.H. Cáceres: A rationale for the quality index of Al-Si-Mg casting alloy. Int. J. Cast Metals Res., 1998, 10, 293-299. [4] A. Biełow, A.Ju. Gusew: Optimalizacja koliczestwa magnija w siluminach typu AK7. Mietałłowiedinije i termiczeskaja obrabotka mietałłow, 1996, Nr 3, 10-13. [5] R.E. Spear, G.R. Gardner: Dendrite cell size. AFS Transaction, 1963, 71, 209-215. [6] Q.G. Wang, P. Apelian, D.A. Lados: Fatigue behaviour of A356/A357 aluminium cast alloys. Part II Effect of microstructural constituents. Journal of Light Metals, 2001. IMPROVEMENT THE QUALITY INDEX OF Al-Si CASTINGS ALLOY SUMMARY The quality index introduced on empirical grounds is widely used by the casting industry as tool for predicting the effect of solidification rate, chemical additions and heat treatment on the ductility and tensile strength of Al-7Si-Mg casting alloys. The paper presents the results of the effect of the chemical composition and heat treatment on the increase of the quality index Al-Si alloy. Recenzował Prof. Józef Gawroński