52/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 MODYFIKACJA STOPU Al-Si12 PROSZKIEM ZE STOPU Al-Si12 T. LIPIŃSKI 1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych Katedra Technologii Maszyn i Materiałów 10-719 Olsztyn, ul. M. Oczapowskiego 11 STRESZCZENIE Stop aluminium krzemem o zawartości 12% Si bez modyfikacji posiada gruboziarnistą budowę strukturalną, będącą przyczyną niskich właściwości mechanicznych. W pracy przedstawiono wpływ modyfikacji siluminu o udziale 12% Si proszkiem wytworzonym ze stopu poddanego modyfikacji, a krystalizującego z różnymi prędkościami. Zaprezentowano wpływ użytego proszku na wytrzymałość na rozciąganie R m, wydłużenie względne A 5 i twardość Brinella HB oraz mikrostrukturę. Key words: Al alloys, silumins, crystallization, modification 1. WPROWADZENIE Dobra przewodność cieplna i wytrzymałość powoduje, że odlewy ze stopów Al są coraz częściej stosowane na wysokoobciążone części w budowie silników spalinowych (np. głowice cylindrowe, tłoki) [1]. Właściwości mechaniczne stopu związane są z jego budową strukturalną. Ta zaś zależy m. In. Od grubości odlewu, dodatków stopowych, szybkości krystalizacji. Chociaż zabieg modyfikacji stosowany jest od wielu lat, poglądy na mechanizmy jego przebiegu nie są do chwili obecnej jednoznacznie wyjaśnione [2, 3, 4]. Poprawa właściwości odlewniczych stopów aluminium jest ciągle istotnym tematem prowadzonych prac. Materiał o wyższych cechach można otrzymać poprzez: zmianę składu chemicznego, obróbkę cieplną oraz optymalizację procesu krystalizacji [5]. W praktyce wykorzystuje się połączenie tych metod. 1 dr inż., tomekl@uwm.edu.pl
397 Jedna ze starszych hipotez zakłada zarodkotwórczą rolę związku AlP dla pierwotnych kryształów krzemu, czemu sprzyja podobieństwo sieci krystalograficznej i wysoka temperatura topienia [6, 7]. Ohno twierdzi jednak, że ewentualna obecność wydzieleń AlP w kryształach krzemu jest przypadkowa i spowodowana ich wychwytywaniem przez rosnący kryształ krzemu. Analiza chemiczna wewnętrznych obszarów odlewów wskazuje na śladową zawartość fosforu, mimo że do modyfikacji używa się od 0,1% do 0,2% fosforu [7]. 2. CEL I METODYKA BADAŃ Celem badań było sprawdzenie możliwości modyfikacji stopu okołoeutektycznego Al-Si12 przy zastosowaniu jako modyfikatora stopu Al-Si12 w postaci stałej po krystalizacji z różną prędkością chłodzenia. Stop modyfikujący topiono w piecu elektrycznym w tyglu ze stali 4H13 (PN- 71/H-86020) w temp. 700 o C. Stop wylewano na płytę ze stali H18N9 (PN-71/H-86020) sterując prędkością jego krystalizacji. Prędkość chłodzenia wynosiła 100, 200 i 300 o C/s. Zakrzepły stop rozdrabniano mechanicznie bezpośrednio przed każdym jego użyciem jako modyfikatora. Opiłków nie frakcjonowano. Modyfikator dodawano do tygla równocześnie z ciekłym stopem Al-Si12 poddawanym modyfikacji o temp. 700 o C. Metal przetrzymywano w piecu przez 1 min. Po czym odlewano go do formy piaskowej. Udział procentowy modyfikatora w stosunku do obrobionego stopu przedstawiono w tab. 1. Tabela 1. Zawartość modyfikatora do obróbki stopu Al-Si12 Table 1. Contents of modifier to treatment alloy Al-Si12 Prędkość krystalizacji modyfikatora 100 o C/s 200 o C/s 300 o C/s Udział modyfikatora [%] W celu porównania właściwości stopu Al-Si12 odlano go również bez obróbki modyfikatorem. Schemat formy przedstawiono na rys 1. Badanie wytrzymałościowe prowadzono na maszynie ZDTe30 na próbkach pięciokrotnych φ8 mm wg normy PN-EN 10002-1. Badaniu poddano po dwie próbki z dwu wytopów dla każdej z zawartości modyfikatora oraz stopu bez jego dodatku. Badanie twardości przeprowadzono metoda Brinella kulką o średnicy 2.5 mm wg PN-91/H-04350. Wykonano po 3 pomiary na każdej z główce wszystkich próbek wytrzymałościowych. Obserwację struktury prowadzono na mikroskopie Olimpus przy powiększeniach 100-1000x. Próbki do badań strukturalnych pobierano z dolnych części próbki wytrzymałościowych (dołu formy odlewniczej) przed badaniami mechanicznymi. 1.0 1.0 1.0
398 a. b. 1 2 3 1 4 2 3 4 Rys.1. Schemat formy odlewniczej: a. przekrój, b. widok z góry: 1 zbiornik wlewowy, 2 wlew doprowadzający, 3 forma, 4 próbka do badań wytrzymałości. Fig. 1. Section of the casting mold: a. intersection, b. top viev: 1 pouring basin, 2 runner, 3 mold, 4 test piece for evaluate mechanical properties. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Wytrzymałość na rozciąganie R m stopu Al-Si12 przy zmiennej zawartości sproszkowanego stopu Al-Si12 przedstawiono na rys. 2. Rm [MPa] 200 150 100 50 0 0% % % % 1% Zawartość modyfikatora niemod. 100 oc/s 200 oc/s 300 oc/s Rys. 2. Wytrzymałość na rozciąganie stopu Al-Si12: bez modyfikacji (niemod.) oraz modyfikowanego stopem Al-Si12 chłodzonym z szybkością 100, 200 i 300 o C/s Fig. 2. Tensile strength of Al-Si12 alloy: with out modification (niemod.) and modify by Al-Si12 rapid cooling at a speed of 100, 200 and 300 o C/s
399 Wydłużenie względne A 5 stopu Al-Si12 przy zmiennej zawartości sproszkowanego stopu Al-Si12 przedstawiono na rys. 3. Twardość Brinella H stopu Al-Si12 przy zmiennej zawartości sproszkowanego stopu Al-Si12 przedstawiono na rys. 4. Dla stopu obrobionego modyfikatorem chłodzonym z prędkością 100 o C/s stwierdzono wraz ze wzrostem jego zawartości zwiększenie wytrzymałości stopu (rys. 2). Podobną zależność otrzymano dla wydłużenia rys. 3. Po obróbce stopu modyfikatorem chłodzonym z prędkością 200 o C/s dla zawartości i % wydłużenie nie ulega zmianie, dla % nieco spada, zaś przy 1% nieco wzrasta (rys. 2). Podobnie przebiegają zmiany A 5. Wytrzymałość stopu po obróbce składnikiem chłodzącym z prędkością 300 o C/s rośnie ze wzrostem udziału modyfikatora do %, zaś przy dalszym zwiększaniu jego udziału do 1% maleje. Przebieg wydłużenia jest odmienny niż w poprzednich przypadkach. Najwyższą jego wartość, dla tego modyfikatora, otrzymano dla %, zaś przy zwiększaniu jego udziału zdecydowanie maleje. A5 [%] 0.6 0 0% % % % 1% Zawartość modyfikatora niemod. 100 oc/s 200 oc/s 300 oc/s Rys. 3. Wydłużenie względne stopu Al-Si12: bez modyfikacji (niemod.) oraz modyfikowanego stopem AL-SI12 chłodzonym z szybkością 100, 200 i 300 o C/s Fig. 3. Unit elongation of Al-Si12 alloy: with out modification (niemod.) and modify by Al-Si12 rapid cooling at a speed of 100, 200 and 300 o C/s H [HB] 160 120 80 40 0 0% % % % 1% Zawartość modyfikatora niemod. 100 oc/s 200 oc/s 300 oc/s Rys. 4. Twardość Brinella stopu Al-Si12: bez modyfikacji (niemod.) oraz modyfikowanego stopem AL-SI12 chłodzonym z szybkością 100, 200 i 300 o C/s Fig. 4. Brinell hardness of Al-Si12alloy: with out modification (niemod.) and modify by Al-Si12 rapid cooling at a speed of 100, 200 and 300 o C/s
400 Dla wszystkich modyfikatorów stwierdzono wzrost zarówno wytrzymałości jak i wydłużenia względnego w odniesieniu do stopu bez obróbki modyfikatorem (0%). Twardość po obróbce wszystkimi modyfikatorami maleje a jej zmiany, w wyniku zróżnicowania zawartości i rodzaju proszku użytego do obróbki stopu, są niewielkie. a. b. c. d. Rys. 5. Mikrostruktura stopu Al-Si12 obrobionego: a - % Al-Si12 chodzonym z cieczy z prędkością 100 o C/s, b - % Al-Si12 chodzonym z cieczy z prędkością 200 o C/s, c - % Al-Si12 chodzonym z cieczy z prędkością 300 o C/s, 1.0% Al-Si12 chodzonym z cieczy z prędkością 300 o C/s; pow. 200x, traw Mi8Al Fig. 5. Microstructure of alloy Al-Si12 after treatment: a - % Al-Si12 cooled from liquid with 100 o C/s, b - % Al-Si12 cooled from liquid with 200 o C/s, c - % Al-Si12 cooled from liquid with 300 o C/s, d 1.0% Al-Si12 cooled from liquid with 300 o C/s Przykłady budowy strukturalnej stopu Al-Si12 po obróbce proszkiem Al-Si12 przedstawiono na rys. 5. Stwierdzono znaczne zmiany w strukturze stopu po obróbce proszkiem uzyskanym ze stopu chłodzonego z cieczy z prędkością 100 o C/s przy jego zawartości w stopie %. W przypadku użycia modyfikatora chłodzonego z większymi prędkościami, efekt modyfikacji widoczny był już przy ok. % modyfikatora (rys. 5b i 5c), zaś przy dalszym wzroście jego udziału w strukturze stwierdzono większe
401 dendryty fazy α. Duże rozdrobnienie struktury uzyskano dla stopu obrobionego stopem chłodzonym z prędkością 100 i 200 o C/s. 4. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych badań, na przykładzie stopu Al-Si12, stwierdzono możliwość użycia jako modyfikatora stopu obrabianego metalu, przygotowanego z różnymi prędkościami krystalizacji, do podwyższenia wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia względnego. Zdaniem autora najkorzystniejsze właściwości mechaniczne stopu Al-Si12 po obróbce otrzymano dla % proszku stopu Al-Si12 krystalizowanego z prędkością 200 o C/s. LITERATURA [1] Górny Z. 1992, Odlewnicze stopy metali nieżelaznych. WNT Warszawa [2] Bińczyk F., Piątkowski J. 2000, Nowy pogląd na oddziaływanie fosforu w procesie kształtowania struktury pierwotnej siluminów nadeutektycznych. Archiwum nauki o materiałach t.21, nr 3-4, s.199-213 [3] Poniewierski Z. 1989, Krystalizacja struktura i właściwości siluminów. WNT Warszawa [4] Braszczyński J. 1991, Krystalizacja odlewów. WNT, Warszawa [5] Borkowski S., Lipiński T., Uszlachetnianie stopów Al - Si procesami metalotermii. Przegląd Mechaniczny 22, 1995. [6] Z. Poniewierski: Krystalizacja, struktura i właściwości siluminów. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Warszawa 1989. [7] P. Bongeaud, F. Dabel, M. Drouzy, C. Mascare: Structures et modification des alliance aluminium-silicium voisins de l eutectique. 34 Congres International de Foundrie. Paris 1967, s. 4. MODIFICATION OF Al-Si12 ALLOY BY POWDER FROM Al-Si12 ALLOY SUMMARY Aluminum silicon alloy contents 12% Si with out modification has a coarse-grained structure who is cause low of mechanical properties. This work presents results influence of modification silumin content 12% Si by powder made from alloy put on treatment, and primary crystallized from different speeds of chilling. This paper presents influence use of powder on tensile strength R m, unit elongation A 5, Brinell hardness number HB and microstructure. Results show by graphical form. Recenzował Prof. Józef Gawroński