140 Solidification or Metais and Alloys Krupniecie Metali i Stop6w, 16 PL ISSN 0208-9386 Metoda lokalnej obróbki ciejplnej odlewów ze stopów Al-Si Mieczysław Kaczorawski Instytut Technonogii Bezwiórowych,, Folitechnika Warszawska, Warszawa, Pol.rka ABSTRACT W pracy przedstawiono wyniki zastosowania ochładzalnika przebieg krzepnięcia i stygnięcia odlewów ze stopu AlSi9(Mg). Ustalono, iż taki sposób kontrolowanego stygnięcia odlewów u możliwia lokalne przesycenie wystarczająco duże, aby mogło być one wykorzystane do miejscowego umacniania wydzieleniowego. stwierdzono również, że przechłodzenie podczas krystalizacji pierwotnej prowadzi do silnego rozdrobnienia krzemu eutektycznego, które jest analogiczne do efektu uzyskiwanego na drodze modyfikacji. Przechłodzenie to powoduj e również wyraźne rozdrobnienie dendrytów rotwaru stalego a, który to efekt korzystnie wpływa na własności mechaniczne stopu. na WPROWADZENIE Jednym z podstawowych sposobów podwyższania własności wytrzymałościowych odlewów jest obróbka cieplna zwana umacnianiem wydzieleniowym. Warunkiem jej stosowania jest występowanie zmiennej rozpuszczalności, umożliwiającej otrzymanie przesyconego roztworu stałego. Rozpad tego roztworu, dokonujący się w temperaturze otoczenia (starzenie naturalne) lub wyższych (starzenie sztuczne), prowadzi do wydzielenia z przesyconego roztworu stałego faz, najczęściej metastabilnych, które sku-
141 tecznie blokują ruch dyslokacji. Taka obróbka cieplna wymaga jednak "zainwestowania" w odlew odpowiedniej energ11 cieplnej, co oczywiście.podraza koszty produkcji. Poszukiwania technologii energooszczędnych doprowadziły do opracowania metod, takich jak:przesycanie bezpośrednie [1,2] a stosunkowo niedawno odlewania do kokili "zamrozonej" [ 3, 4]. Zarówno jedna jak i druga metoda gwarantuj e uzyskanie przesycenia wystarczającego dla otrzymania po starzeniu odpowiednio wysokich własności wytrzymałościowych, jakkolwiek efekty stosowania kazdej z nich są nieco rózne. Pomijając te róznice i koncentrując się jedynie na drugiej technologii trzeba zauwazyć, iż podczas odlewania w kokilach "zamro Zonych" napotkano na szereg trudności czysto technicznych, które skłoniły do podjęcia prób, w których intensywne chłodzenie występowaloby tylko lokalnie. Oczekiwano, Ze zapewni ono miejscowe przesycenie wystarczająco duze, aby podczas późniejszego starzenia, umozliwić (równiez lokalne tylko) umocnienie wydzieleniowe. Jest to o tyle interesujące, iz taki sposób przesycenia stwarza warunki sterowania strukturą a co za tym idzie własnościami w wybranych fragmentach odlewu, czego nie mozna zrealizować za pośrednictwem innych metod. EKSPERYMENT Badania przeprowadzono dla stopu AK9, z którego wykonano odlewy schodkowe o masie ~ 0.15 kg. i grubości zmieniającej się w zakresie od 5 mm do 20 mm. Odlewy sporządzono w formach piaskowych, których dolną część stanowił ochladzalnik w postaci miedzianej płyty o masie 2.5 kg i grubości 10 mm. Stop stopiono w tyglu grafitowym nie stosując modyfikacji cieklego metalu. Temperatura stopu w chwili zalewania wynosiła 700 C. Po odlaniu odlewy starzono w temperaturze T= 170 C stosując czas s starzenia L = 2. 5, 3.5, 4.5, 5.5 oraz 6.5 h. Z odlewów wycięto odpowiednie próbki, które poddano badaniom metalograficznym, pomiarom twardości oraz obserwacjom w skaningowym (SEM) oraz transmisyjnym (TEM) mikroskopie elektronowym.
142 WYNIKI BADAŃ Badania metalograficzne Badania metalograficzne przeprowadzono na próbkach wyciętych w taki sposób aby powierzchnia zgładu była prostopadła do powierzchni ochładzal~ika. Umożliwiało to obserwacje zmian struktury w funkcji odległości od ochładzalnika. Strukturę odlewu otrzymanego przy zastosowaniu ochładzalnika ukazuje rys.l. Rys.l.Struktura odlewu ze stopu AK9 wykonanego z zastosowaniem ochładzalnika; przy powierzchni odlewu - (a) i w odległości x = 15 mm - (b) (x250). Pierwsza mikrofotografia (rys.l.a) ilustruje strukturę i jej zmiany d o głębokości ok.0.5 mm, zaś rys.l.b strukturę tego samego stopu w odległości ok.l5 mm od powierzchni intensywnie chłodzonej z a pomocą ochładzalnika. Ta ostatnia (rys.l.b) ukazuje typową strukturę siluminu nie modyfikowanego, charakteryzującą się grubymi wydzieleniami krzemu eutektycznego. Struktura ta jest całkdwicie odmienna od zamieszczonej na rys. l.a. gdzie widoczne są kolumnowe ziarna roztworu stalego a, które dopiero w odległości powyżej l mm od ochładzalnika przybierają postać silnie wydłużonych, drobnych dendrytów.
143 Szybkość chłodzenia oszacowana na podstawie równania: l og dt = _ ( log DAS - 1.66 ) dt 0.4, (l) gdzie: DAS - odległość między drugorzędowymi ramionami dendrytów (ang.dendrite arms spacing) (5], zmienia się i wynosi od ok.1.5 x 10 3 C/s przy powierzchni odlewu do kilkunastu C/s w centralnej jego części. Obserwacje w SEM Blizsze obserwacje struktury odlewów przeprowadzono w skaningowym mikroskopie elektronowym. Ich zadaniem było określenie wpływu niekonwencjonalnej szybkości chłodzenia na morfologię krzemu eutektycznego. Próbki do badań przygotowano metodą, tzw. głębokiego trawienia ( 6). Wyniki badań przedstawiono na zdjęciach (rys.2). krzemu eutektycznego w odległości x = 0.1 mm - (a), x = 0.2mm - (b) oraz x = 15mm - (c) Pierwsze z nich (rys.2.a) ukazuje strukturę odległości w stosunkowo niewielkiej od powierzchni intensywnie chłodzonej za pomocą ochładzalnika. Widoczne wydzielenia si eutektycznego są silnie rozgałęzione, niemal identycznie jak te uzys-
144 kiwane w wyniku stosowania modyfikacji ciekłego stopu. Krzem eutektyczny obserwowany w odległości ok.2 mm jest tez rozdrobniony, jednak posiada postać płytek taką jak w przypadku eutektyki anormalnej (rys.2.b). Ostatnia mikrografia ilustruje strukturę centralnej części odlewu, tj. ok. 15 mm od ochładzalnika (rys.2.c). Jest to typowa eutektyka anormalna, w której wydzielenia Si posiadają postać duzych i prostych płytek. Badania twardości Badania twardości przeprowadzono na zgładach metalograficznych wykonując po kilka pomiarów dla określonej odległości x od powierzchni intensywnie chłodzonej. Do badań wykorzystano mikrotwardościomierz wypasazony w diamentowy wgłębnik, obciązany siłą P = 20 G i 50 G, zaleznie od wielkości dendrytów roztworu stałego a. Wyniki badań zamieszczono na rys.3. 120.0 117.5-115.0 i 100.0 ł112.5 2.. 1110.0 ~ 107.5 ~ \ \ 105.0 102.5 "' "" "-.._ ~...!'---- 80.0 -+-r-r"-r--.-+-r-...,.-r-ł-t-.-'-..--r-+-.,.-,' 0.0 2.0 4.0 6.0 CZAS STNaEMA (GOOZINI') 100.0 0.0 2.0 4.0 6.0 B.O (mm) Rys. 3. Zmiany twardości roztworu stałego a w funkcji czasu starzenia w temperaturze T= 170 C- (a) i odległości Pierwszy z nich (rys.3.a) ilustruje zmiany twardości s x- (b). odlewów w funkcji czasu starzenia w temperaturze T= 170 C, w róznej ods ległości x od powierzchni ochładzalnika. z wykresów widać, Ze w badanym zakresie odległości x, twardość odlewów rośnie wraz
145 ze wzrostem czasu starzenia, przy czym stopień umocnienia zale~y od odległości x i maleje z wzrostem odległości x.widać to doskonale na wykresie (rys.3.b), na którym zamieszczono zmianę twardości J..LHV w funkcji odległości x dla ustalonego czasu czasu starzenia ~ = 6.5 h. W tym miejscu nale~y podkreślić, że wykresy zamieszczone na rys.3. są dowodem skuteczności metody, której wykazanie stanowiło jeden z podstawowych celów pracy. Obserwacje w TEM Metoda transmisyjnej mikroskopii elektronowej nie nalezy do często stosowanych w odniesieniu do stopów odlewniczych. W tym wypadku okazała się jednak jedyną techniką) która w sposób bezpośredni ukazywala strukturę powstającą w wyniku wydzielania podczas starzenia. Materialem do badań były cienkie folie, przygotowane metodą polerowania elektrolitycznego. Wybrane mikrografie elektronowe zamieszczono na rys.4.
146 Rys.4. Struktura odlewu otrzymanego w formie z ochładzalnikiem; po odlaniu (przesyceniu) - (a) oraz po starzeniu w temperaturze 170 C przez czas T = 2.5 h - (b), 4.5 h- (c), 5. 5 h - (d) oraz 6.5 h - (e). Rys.4.a ukazuje struktu rę s topu bezpośrednio po odlaniu, w obszarze intensywnie chłodzonym za pomocą och ład zalnika. Na zdjęciu są widoczne dość liczne dyslokacje o równomiernym rozkładzie, których gęstoś ć jest wyra ź nie większa ni~ w odlewach przesyconych tradycyjnie (6]. Kolejna mikrografia elektronowa (rys.4.b) ilustruje s truktur ę w odlewie po starzeniu przez 2.5 godziny w temperaturze 170 C. Widać na niej bardzo silny kontrast odkształceniewy [7], spowodowany obecnością stref GP o wymiarach ("długości") ok.lo nm. t ś. ' 21-3. - 20 nm l. gęs o Cl. p = 8.1 x 10 m. Po starzen1.u przez 4. 5 godziny strefy GP zostają zastąpione przez bardzo drobne iglaste wydzielenia metastabilnej fazy pośredniej ~" Długość tych wydzieleń waha się w zakresie 50-100 nm zaś ich gęstość wy nosi ok. 8.3 x 10 21 m- 3 Kolejne dwa zdjęcia (rys.4.d i e) uk azują strukturę stopu starzonego przez -c = 5. 5 h (rys. 4. d) i 6. 5 h (rys.4.e). Czasy te o dpowiadają zakresowi maksymalnego umocnienia stopu. Na obu mikrografiach widać drobne, prętapodobn e wydzielenia kolejnej fazy metastabilnej ~' o gęstości rzędu 6. 5-7 x 10 21 m- 3 Są one "grubsze" od wydzieleń fazy W' a ich długość wynosi około 50-60 nm aczkolwiek występują też dwukrotnie dłuższe, na których można zaobserwować kontrast interferencyjny prążków Moire (8). Obok wydzieleń faz~" i~' są obecne wydzielenia tzw. krzemu nadmiarowego który nie został ( 9 ], tj. krzemu wykorzystany do utworzenia w;w faz. Zgodnie z literaturą fazom ~" i ~' przypisuje się wzór stechiometryczny Mg S i - Mg S i [ l O ]. l. 73 2
147 PODSUMOWANIE w pierwszej kolejności nale~y stwierdzić, ~e uzyskane wyniki w pełni potwierdziły skuteczność metody lokalnego przesycania, które podczas późniejszego starzenia, umo~liwia umocnienie wybranych fragmentów odlewu. Warto jednak przedyskutować pewne ró~nice między umacnianiem wydzieleniowym realizowanym tradycyjnie a metodą proponowaną w niniejszej pracy. Otóż w wypadku tradycyjnego przesycania, szybkie studzenie następujące po wyżarzaniu rozpuszczającym, nie zmienia struktury pierwotnej odlewu, ukształtowanej podczas jego krzepnięcia w formie. Zatem stopień dyspersji składników strukturalnych takich jak dendryty roztworu stalego a, wydzielenia krzemu eutektycznego będzie determinowana przez masywność odlewu, właściwości termofizyczne formy oraz stosowanie bądź nie modyfikacji cieklego stopu. W wypadku stosowania ochładzalników uzyskuje się równocześnie: a. bardzo duże rozdrobnienie dendrytów roztworu stałego a oraz krzemu eutektycznego, którego morfologia staje się analogiczna do otrzymywanej w wyniku modyfikacji, b. zwiększoną nieco gęstość dyslokacji, c. większe niż w przypadku przesycania tradycyjnego przesycenie krzemem oraz defektami punktowymi (wakansami) [11], Nawiązując do pierwszego z efektów warto przypomnieć równanie Halla-Petcha, zgodnie z którym: - 1/2 (J' + k d 1 (2) = CJ' 0 gdzie: CJ' - granica plastyczności, CJ' 0 - opór ruchu dyslokacji, k - stała odzwierciedlająca skłonność do spiętrzania dyslokacji, d - wielkość ziarna lub podziarna. z zale~ności Halla-Petcha wyraźnie wynika, i~ rozdrobnienie dendrytów roztworu stałego a będzie dodatnio wpływać na własności wytrzymałościowe. Dowodzi tego wykres zmian twardości J.LHV = f (x) zamieszczony na rys. 5. Podobnie, pewien dodatni wkład w umocnienie może pochodzić od dyslokacji o gęstości nieco większej ni~ otrzymywana po przesycaniu tradycyjnym. ze względu na to, iż różnice w gęstości dyslokacji nie przekra-
148 czają rzędu wielkości wpływ ten nie powinien być duży. Również większe przesycenie krzemem powinno sprzyjać umocnieniu: raz 105.0 102.5 100.0 97.5 ~ 2- (..) ~ 95.0 l 92.5 90.0 87.5 \ \\ r\ " ~ -..-... -- :----... r-- r--. l-- 85.0 0.0 2.0 4.0 6.0 6.0 (mm) Rys.5. Zmiana twardości po intensywnym chłodzeniu odlewu w zależności od odległości x, która determinuje wielkość ziarna (rozdrobnienie dendrytów roztworu stalego a). przez wkład w zwiększenie gęstości wydzieleń metastabilnych faz pośrednich i dwa poprzez stworzenie dodatkowych przeszkód w postaci wydzieleń krzemu nadmiarowego. Trzeba jednak o- biektywnie stwierdzić, iż z racji braku koherencji między nimi a osnową (brak pól odkształceń dalekiego zasięgu), ich skuteczność nie jest tak duża jak faz "{3 czy {3'. W zakończeniu koniecznie trzeba wspomnieć o wyjątkowo korzystnym efekcie jakimjest modyfikacja krzemu eutektycznego. Otóż, podczas dyskusji nad zaletami i wadami uproszczonej metody przesycania, wielokrotnie podkreślano pogorszenie własności plastycznych odlewów, które nie są wyżarzane przed przesycaniem. Nie zostają więc stworzone warunki dla zmiany morfologii "kanciastych" wydzieleń krzemu eutek tycznego. W przypadku stosowania ochładzalników, krzem ten podlega modyfikacji do znacznej głębokości względem powierzchnia tym samym poprawia własności plastyczne odlewów. Ponadtoutwardzeniu, któremu towarzyszy zazwyczaj zmniejszona plastyczność,podlegajątylko niektóre, świadomie zaprojektowane fragmenty odlewu podczas gdy pozostale zachowują wyższe własności plastyczne. odpowiednio
149 LITERATURA 1. M.Kaczorowski, R.Szostak: Aluminium, 59(1983)s.693. 2. P.Murza-Mucha, R.Szostak: J.Mat.Sci.,17(1982)s.3621. 3. P.Murza-Mucha: Prace ITB,1988 s.5. 4. P.Murza-Mucha, A.Borowski, J.Bindas, M.Kaczorowski: Prace ITB, 1989 s.23. 5. 5.G.Gustafsson, T.Thorvaldsson, G.L.Dunlop: Met.Trans., 17A (1986)s.45. 6. M.Holmanova : Prakt.Metalographie, 11(1974)s.155. 7. P.Hirsch, A.Howie, R.Nicholson, D.W.Pashley, W.J.Whelan: w "Electron Microscopy of Thin Crystals",Butterworths,. London 1965 rozdz.14. 8. G.Thomas, M.J.Goeringe: "Transmission Electron Microscopy" Wiley-Interscience Publ.,New York, 1979 rozdz.3. 9. S.Ceresara, E.Di Russo, P.Fiorini, A.Giarda: Mat.Sci.Eng., 5(1969-70)s.220. lo.j.p.lynch, L.M.Brown, M.H.Jacobs: Acta Met.,30(1982)s.1389. ll.m.kaczorowski, R.Szostak: Aluminium, 59(1983)s.924.