STRUKTURA I POROWATOŚĆ ODLEWÓW ZE STOPU ALUMINIUM A WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE

4/22 Archives of Foundry, Year 26, Volume 6, 22 Archiwum Odlewnictwa, Rok 26, Rocznik 6, Nr 22 PAN Katowice PL ISSN 1642-538 STRUKTURA I POROWATOŚĆ ODLEWÓW ZE STOPU ALUMINIUM A WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE Ł. BERNAT 1, J. HAJKOWSKI 2, M. HAJKOWSKI 3 Instytut Technologii Materiałów Politechniki Poznańskiej ul. Piotrowo 3, 61-138 Poznań STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki badań krzywych stygnięcia, kryterium Niyamy, udział porowatości, parametry struktury (odległość między gałęziami w dendrytach i średni kat nachylenia dendrytów) i właściwości mechanicznych (R,2, R m, A 5 i wytrzymałość zmęczeniowa) odlewu płyty ze stopu EN AC-AlSi7Mg krzepnącego w różnych warunkach cieplnych. Określono wpływ kryterium Niyamy na porowatość odlewu oraz wpływ udziału porowatości na właściwości mechaniczne przy niestałych wartościach odległości między gałęziami w dendrytach i średniego kata nachylenia dendrytów. Key words: aluminum alloy, porosity, Niyama criterion, structure parameters, mechanical properties 1. WPROWADZENIE Właściwości mechaniczne odlewów z siluminów można zmieniać za pomocą zmiany składu chemicznego stopu, rozdrobnienia struktury, rozłożenia wydzieleń (kąt nachylenia kryształów, stopień wzajemnej orientacji kryształów), sferoidyzacji kształtu wydzieleń oraz zmniejszenia udziału porowatości i błonek Al 2 O 3. Udział porowatości ma większy wpływ na wytrzymałość zmęczeniową niż błonki Al 2 O 3 [1]. W odlewach z określonego stopu rozdrobnienie struktury krystalicznej i udział w niej porowatości to dwa bardzo istotne czynniki wpływające na wytrzymałość 1 mgr inż., lukaszbernat@poczta.onet.pl 2 mgr inż., jakub.hajkowski@doctorate.put.poznan.pl 3 dr hab. inż., mieczyslaw.hajkowski@put.poznan.pl

42 zmęczeniową odlewów. Oba te czynniki wpływają na wytrzymałość zmęczeniową odlewów z różną intensywnością, w zależności od liczby cykli obciążeń zmiennych. Na przykład w odlewach ze stopu AlSi7 zmniejszenie odległości między gałęziami drugiego rzędu (DAS) roztworu stałego α z 5 do 28 µm i podwyższenie udziału objętościowego porowatości z,7 do,4 % powoduje, że [2]: przy 1. cykli obciążeń zmiennych wytrzymałość zmęczeniowa ma tendencję rosnącą ze zmniejszaniem się odległości DAS, przy 2.. cykli, wytrzymałość zmęczeniowa ma tendencję malejącą; w tym przypadku wzrost udziału porowatości w odlewie silniej wpływa na wartość wytrzymałości zmęczeniowej niż zmniejszenie odległości DAS. Znajomość zagadnień wpływu porowatości odlewów na właściwości mechaniczne odlewów jest szczególnie ważna w odlewach obciążonych zmęczeniowo. Praktycznie we wszystkich odlewach występuje porowatość. Zarówno makro jak i mikroporowatość, występująca w odlewach w postaci skupisk małych jam, tworzących się przy krzepnięciu lokalnych objętości, izolowanych w procesie krzepnięcia od miejsca zasilania ciekłym metalem, jest zjawiskiem niepożądanym. Porowatość odlewów ze stopów aluminium wzrasta, gdy zmniejsza się szybkość stygnięcia i wzrasta zawartość wodoru w stopie. W stopach modyfikowanych strontem udział jej jest większy niż w niemodyfikowanych [3]. Tworzące się podczas krystalizacji fazy powstające w niższych temperaturach niż eutektyka (Si+α) są izolowane w procesie krzepnięcia od miejsca zasilania ciekłym metalem i także mają wpływ na wzrost porowatości, np.: w odlewie ze stopu AlSi6Cu3,5Mg [3, 4]: w temperaturze ok. 56 C krystalizuje eutektyka (Si+α) i ciecz wzbogaca się w miedź, w temperaturze ok. 54 C krystalizują wydzielenia Mg 2 Si i Al 8 Mg 3 FeSi 6, w temperaturze ok. 525 C w przestrzeniach międzydendrytycznych krystalizuje CuAl 2 razem z wydzieleniami igłowymi lub płytkowymi fazy β-al 5 FeSi, w temperaturze ok. 57 C krystalizuje eutektyka (CuAl 2 +α); w obecności Mg wydziela się także faza Al 5 Mg 8 Cu 2 Si 6. Wydzielenia CuAl 2 maja tendencję do tworzenia bloków w obecności strontu. Celem pracy było określenie wpływu warunków krzepnięcia na: porowatość, odległość między gałęziami w dendrytach i średni kąt nachylenia dendrytów względem osi próbki oraz określenie wpływu porowatości, przy niestałej wartości odległości między gałęziami w dendrytach i niestałym średnim kącie nachylenia dendrytów względem osi próbki (kierunku obciążenia) β śr(op), na właściwości mechaniczne odlewu ze stopu EN AC-AlSi7Mg. 2. METODYKA BADAŃ Badania porowatości, parametrów struktury i właściwości mechanicznych przeprowadzono na odlewach płyty o grubości 22 mm, szerokości 12 mm i wysokości 15 mm. Odlewy wykonano ze stopu aluminium zawierającego 7,9 % Si,,42 % Mg,,34 % Fe,,2 %Mn,,11 % Cu w formie pokazanej na rys. 1.

43 Warunki krzepnięcia zmieniano za pomocą różnicowania materiałów formy (tabl. 1). Tablica 1. Materiały zastosowane na elementy formy Table 1. Materials of the moulds Oznaczenie formy Usytuowanie w formie P-P P-O M-O kombinacje materiałów odtwarzająca powierzchnie boczne i górną płyty P P M odtwarzająca dolną powierzchnię płyty P O O P masa z piasku kwarcowego wiązana żywicą Novanol ona, O ochładzalnik z miedzi z z pokryciem grafitowym, M masa z mikrosfer wiązana żywicą Novanol ona. 5 4 3 2 1 25 25 25 2 15 ochładzalnik lub masa Rys. 1. Forma doświadczalna. Fig. 1. Experimental mould. Formy o temperaturze pokojowej zalewano stopem niemodyfikowanym o temperaturze 71 ± 5 C. Warunki krzepnięcia odlewów (gradient temperatury i szybkość stygnięcia w okresie wzrostu fazy α) wyznaczono na podstawie krzywych stygnięcia w 5 miejscach odlewu pokazanych na rys. 1. Ocenę powstawania porowatości wynikającej z cieplnego warunku krzepnięcia przeprowadzono za pomocą kryterium Niyamy [5, 6]: G K N = (1) R gdzie: G gradient temperatury przed frontem krzepnięcia [ C/m], R szybkość stygnięcia [ C/s]. Udział objętościowy porowatości określono na podstawie pomiaru gęstości sześciennych próbek o wymiarach ok. 18x18x18 mm i odniesieniu wyników badań gęstości do gęstości teoretycznej. Mikrostrukturę i porowatość w odlewie badano za pomocą analizatora obrazu i mikroskopu skaningowego. Badania właściwości mechanicznych: umowna granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie i wytrzymałość na zmęczenie obukierunkowe wykonano na próbkach o średnicy części pomiarowej 12 mm (odległość osi próbki 15 mm od dolnej podstawy płyty).

44 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Na podstawie krzywych stygnięcia (rys. 2) otrzymanych w różnych miejscach odlewów płyty, wykonanych w formach z różnych materiałów wyznaczono szybkość stygnięcia R oraz gradient temperatury G przed frontem zarodkowania eutektyki. Zależność kryterium Niyamy w funkcji odległości od dolnego brzegu płyty (masa z piasku kwarcowego lub ochładzalnik z miedzi) przedstawiono na rys. 3a. Wyniki badań objętościowego udziału porowatości gazowo-skurczowej, przy zachowaniu stałej zawartości wodoru (ok.,25 ml/1 g) w stopie dla badanych odlewów przedstawiono na rys. 3b. Z przedstawionego wykresu wynika, że przy zawartości wodoru ok.,25 ml w 1 g ciekłego stopu, udział porowatości gazowo-skurczowej (P) w odlewie, np. P<,5 % będzie przy kryterium Niyamy K N > 4 C,5 s,5 /m, a dla P<,25 % przy K N > 16 C,5 s,5 /m. Zastosowanie ochładzalnika w formie powoduje, że w zakresie zasięgu działanie jego efektu brzegowego wzrasta wartość K N, a wzrost tej wartości istotnie wpływa na zmniejszenie udziału porowatości. temperatura [ C] 62 61 6 59 58 57 56 55 54 53 52 P-O P-P 1 2 3 4 5 P-O - Piasek - Ochładzalnik P-P - Piasek - Piasek M-O - Mikrosfery - Ochładzalnik 1 M-O 1-15 mm 2-35 mm 3-6 mm 4-85 mm 5-11 mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 czas [s] Rys. 2. Krzywe stygnięcia odlewu płyty w formach: P-O, P-P i M-O. Fig. 2. Cooling curves of plate casting in the mould: P-O, P-P, M-O. Ilustrację mikrostruktury w odlewach krzepnących w formie jednolitej z piasku kwarcowego i w formie z ochładzalnikiem pokazano na rys. 4. Na rys. 4a pokazano także powierzchnię pory, na której widoczne są główki gałęzi dendrytów. Taki kształt powierzchni wskazuje, że jest to porowatość skurczowa albo gazowo-skurczowa Parametry mikrostruktury odległość między gałęziami w dendrytach i średni kąt nachylenia dendrytów względem osi próbki β śr(op) w badanych miejscach odlewu przedstawiono na rys. 5. 2 3 4 5

45 a) kryterium Niyamy [ C,5 s,5 /m] 18 16 14 12 1 8 6 4 2 C ochładzalnik - piasek ochładzalnik - mikrosfery bez ochładzalnika - piasek 1 2 3 4 5 6 7 8 9 odległość od ochładzalnika [mm] b) 3 porowatość [%] -,455 2,5 P = 7,9217 K N R 2 =,966 2 1,5 1,5 4 8 12 16 kryterium Niyamy [ o C,5 s,5 /m] Rys. 3. Zależność kryterium Niyamy w funkcji odległości od dolnego brzegu płyty (a) i porowatości od kryterium Niyamy (b). Fig. 3. The relationship of Niyama criterion in the function of plate casting bottom distance (a) and of porosity of Niyama criterion (b). a) b) c) Pory d) Pory Rys. 4. Mikrostruktura w odlewie, pow. 8x; forma jednolita (P-P): a odległość 15 mm, b 6 mm, forma z ochładzalnikiem (P-O): c odległość 15 mm, d odległość 6 mm. Fig. 4. Microstructure in casting, 8x, homogeneous mould (P-P): a 15 mm distance b 6 mm distance, mould with chill (P-O): c 15 mm distance, d) 6 mm.

46 a) odległość między gałęziami w dendrytach [µm] 7 6 5 4 3 2 1 P-P P-O M-O b) βśr(op) względem osi próbki (kierunku rozciągania) [ o ] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 P-P M-O P-O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 odległość od podstawy [mm] 123456789 odległość od podstawy [mm] Rys. 5. Zależność odległości między gałęziami w dendrytach (a) i średniego kąta nachylenia względem osi próbki β śr(op) (b) w funkcji odległości od dolnego brzegu płyty w odlewach z form: P-P, P-O i M-O. Fig. 5. The relationship of arm spacing parameters in dendrites (a) and mean inclination angle relatively to sample axe β śr(op) (b) in the function of plate casting bottom distance in the plate casting in appropriate mould: P-P, P-O i M-O. Wyniki badań R,2, R m i A 5 przedstawiono na rys. 6, a wytrzymałości na zmęczenie obukierunkowe na rys. 7. a) odległość między gałęziami w dendrytach [µm] R m, R,2 [MPa] 2 15 1 5 24,1 29,8 56,3 R,2 75,3 64,5 53,6 β śr(op) [ o ],5 1 1,5 objętościowy udział porowatości [%] R m b) odległość między gałęziami w dendrytach [µm] wydłużenie A 5 [%] 2,5 24,1 29,8 56,3 2 1,5 1 75,3 64,5,5 β śr(op) [ o ] 53,6,5 1 1,5 objętościowy udział porowatości [%] Rys.6. Zależność R m, R,2 (a) i A 5 (b) od udziału porowatości w odlewie przy niestałych wartościach odległości między gałęziami w dendrytach i średniego kąta nachylenia względem osi próbki β śr(op). Fig. 6. The relationship of R m, R,2 (a) i A 5 (b) from porosity fraction in casting for unstable arm spacing parameters in dendrites and mean inclination angle relatively to sample axe β śr(op).

47 wytrzymałość na zmęczenie, σz [MPa] 7 6 5 4 3 2 1 odległość między gałęziami w dendrytach [µm] 24,1 29,8 56,3 75,3 64,5 β śr(op) [ o ] 53,6,5 1 1 objętościowy udział porowatości [%] Rys. 7. Zależność wytrzymałości na zmęczenie od udziału porowatości w odlewie przy niestałych wartościach odległości między gałęziami w dendrytach i średniego kąta nachylenia względem osi próbki β śr(op). Fig. 7. The relation of fatigue strength from porosity fraction in casting for unstable arm spacing parameters in dendrites and mean inclination angle relatively to sample axe β śr(op). Z otrzymanych wyników badań (rys. 3 i 5) w założonych warunkach krzepnięcia wynika, że ze wzrostem udziału porowatości wzrasta także odległość między gałęziami w dendrytach i zmniejsza się średni kąt nachylenia dendrytów względem osi próbki (β śr(op) ) wyciętej z odlewu. W badanym zakresie zmian udziału porowatości i wartości parametrów struktury, umowna granica plastyczności R,2 i wydłużenie A 5 (rys. 6) mają tendencję malejącą ze wzrostem udziału porowatości i równoczesnym wzrostem odległości między gałęziami w dendrytach, zmiana taka jest zgodna z wpływem tych czynników. W przypadku wytrzymałości na rozciąganie R m (rys. 6a) i wytrzymałości na zmęczenie σ z (rys. 7) występuje tendencja wzrostowo-malejącą. Wyższe wartości R m i σ z uzyskane w odlewie z formy P-O (R m =177,4 MPa i σ z =63,1 MPa) w odniesieniu do odlewu z formy M-O (R m =172,3 MPa i σ z =59,2 MPa) prawdopodobnie są spowodowane większą intensywnością wpływu zmiany kąta β śr(op) i stopnia wzajemnej orientacji dendrytów [7] niż zmiany udziału porowatości (odpowiednio,36 i,31 %) i odległości między gałęziami w dendrytach (odpowiednio 29,8 i 24,1 µm). 4. WNIOSKI Z przeprowadzonych badań wynikają następujące wnioski: 1. Kryterium Niyamy pozwala ocenić poziom porowatości w określonym miejscu odlewu przy ustalonej zawartości wodoru w ciekłym stopie. 2. Na właściwości mechaniczne odlewu z określonego podeutektycznego stopu Al o stałej jakości metalurgicznej mają wpływ nie tylko odległość między gałęziami w dendrytach i udział porowatości, ale także inne parametry struktury. Identyfikacja parametrów i ustalenie ich wpływu wymaga przeprowadzenia dodatkowych badań.,5

48 LITERATURA [1] Q.G. Wang, D. Apelian, D.A. Lados: Fatigue behavior of A356-T6 aluminum cast alloys. Part I. Effect of casting defects. Journal of Light Metals, 21, no 1, s. 73-84. [2] J. Campbell, R.A. Harding: Solidification Defects in Castings. TALAT Lecture 327, University of Birmingham 1994. [3] C.H. Caceras i inni: The Effect of Cu Constant on the Level of Microporosity in Al-Si-Cu-Mg Casting Alloys. Scripta Materialia, 1999, vol.4, no 5, s. 631-637. [4] M. Dash, M. Makhlouf: Effect of key alloying elements on the feeding characteristics of aluminum-silicon casting alloys. Journal of Light Metals, 21, no 1, s. 251-265. [5] E. Niyama, T. Uchida, M. Morikawa S. Saito: A Method of Shrinkage Prediction and its Application to Steel Casting Practice. AFS Int. Cast Metals Journal, 1982, vol. 7, s. 52-63. [6] J.T.Berry, E.P. Coleman: Linking Solidification Conditions and Mechanical Behavior in Al Castings A Quarter Century of Evolving Evidence. AFS Transactions 1995, Vol. 15, s. 837 847. [7] M. Hajkowski: Prognozowanie właściwości mechanicznych odlewów z podeutekty-cznych siluminów na podstawie procesów cieplnych i struktury krystalicznej. Rozprawy nr 376. Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań 23. MICROSTRUCTURE AND POROSITY OF ALUMINUM ALLOY CASTING WHEREAS MECHANICAL PROPERTIES SUMMARY In the paper the results of investigations of cooling curves, Niyama criterion, participation of porosity, microstructure parameters (the space between arms in dendrites and mean inclination angle of dendrites) and mechanical properties (R,2, R m, A 5 and fatigue strength) of plate casting made of EN AC-AlSi7Mg alloy solidify in different thermal conditions was presented. The influence of Niyama criterion on porosity and participation of porosity on mechanical properties with unstable parameters of spacing between arms in dendrites and mean inclination angle of dendrites was determined. Recenzował: Prof. Michał Szweycer