E. Czekaj, A. Fajkiel, A. Gazda - Krótkotrwała ultrawysokotemperaturowa sferoidyzacyjna obróbka cieplna siluminów.pdf

(577 KB) Pobierz
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
5/17
Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17
Archives of Foundry
Year 2005, Volume 5, Book 17
PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308
KRÓTKOTRWAŁA ULTRAWYSOKOTEMPERATUROWA
SFEROIDYZACYJNA OBRÓBKA CIEPLNA SILUMINÓW
E. CZEKAJ, A. FAJKIEL, A. GAZDA
Instytut Odlewnictwa w Krakowie, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków
STRESZCZENIE
Siluminy należą do najczęściej stosowanych stopów na osnowie aluminium
przetwarzanych poprzez odlewanie. Ich podstawowym wadą, w porównaniu z innymi
tworzywami konstrukcyjnymi, jest niedostateczny zapas plastyczności, a zatem
ograniczone możliwości eksploatacyjne pod względem odporności na pękanie przy
statycznym obciążeniu rozciągającym czy zmęczeniu cieplno-mechanicznym.
W celu poprawy charakterystyk plastyczności siluminów dokonywane są
różnorodne zabiegi technologiczne tak na ciekłym metalu, w procesach odlewania, jak
też po skrzepnięciu stopu. Jednym ze sposobów polepszania wydłużenia siluminów jest
zastosowanie specjalnych metod obróbki cieplnej. W ostatnim okresie pojawiły się w
zagranicznej, specjalistycznej literaturze prace dotyczące prób sferoidyzacji krzemu
eutektycznego poprzez zastosowanie krótkotrwałej wysokotemperaturowej obróbki
cieplnej sięgającej – a nawet przewyższającej – próg początkowy topnienia siluminów
typu A356, A357 (dawny polski stop AK7 – wg nie obowiązującej już normy PN-
76/H-88027, czy AlSi7Mg {EN AC-42000…42200} – zgodnie z PN-EN 1706).
Wynikiem tych zabiegów jest znacząca poprawa plastyczności, przy jednoczesnym
zwiększeniu parametrów wytrzymałościowych. Dodatkowym ważnym aspektem
proponowanej odmiany obróbki cieplnej jest pozytywny efekt ekonomiczny.
Prezentowany niżej materiał stanowi fragment szerszego opracowania –
realizowanego w 2004 roku w Instytucie Odlewnictwa w Krakowie, w ramach
działalności statutowej (zlec. nr 3002/00) – na temat „Próba sferoidyzacji siluminów
pod- i eutektycznych” [1].
51
 
1.
WPROWADZENIE
Stopy metaliczne przeznaczone na odlewy charakteryzują się – poza nielicznymi
wyjątkami: np. żeliwem sferoidalnym czy niektórymi gatunkami staliwa –
umiarkowanym poziomem własności wytrzymałościowych oraz niską plastycznością.
Dotyczy to także odlewniczych stopów na bazie aluminium, szczególnie siluminów.
Konsekwencją tego jest ograniczenie zastosowań tych tworzyw na części
konstrukcyjne, tym bardziej, że w stosunku do większości z nich stawiane są obecnie
coraz większe wymagania względem trwałości i niezawodności. W ogólnym przypadku
spełnienie tych żądań związane jest z koniecznością jednoczesnego podwyższenia tak
wytrzymałościowych charakterystyk, jak i plastycznych własności. Z doświadczenia
wiadomo, że zmiany parametrów klasycznej technologii odlewania i obróbki cieplnej
w większości przypadków prowadzą do wzrostu wytrzymałości okupionej jednak
spadkiem plastyczności, i na odwrót.
W ostatnich dwóch, trzech dziesięcioleciach badania dotyczące poprawy
kompleksu własności mechanicznych stopów aluminium - i szczególnie siluminów - idą
zasadniczo w następujących kierunkach [1]:
Doskonalenia metod doboru podstawowych i wspomagających dodatków
stopowych (np. z wykorzystaniem współczesnych osiągnięć syntezy stopów
[2,3]) oraz optymalizacji kompleksu dodatków modyfikujących strukturę, w tym
poprzez totalne rozdrobnienie i zaokrąglenie (aż do uzyskania kształtów
sferycznych) wszystkich podstawowych składników strukturalnych siluminów
(w tym faz żelaza) [4,5].
Zastosowania nowoczesnych procesów technologii wytwarzania części
konstrukcyjnych łączących zalety odlewania i przeróbki plastycznej.
Przykładami takich technologii jest: squeeze casting – tj prasowania stopu
w stanie ciekłym [6], metody c obapress czy a utoforge [7,9] - łączących
odlewanie kokilowe z kuciem na gorąco; odlewanie tik sotropowe [8,9]–
polegające na prasowaniu na maszynie ciśnieniowej wlewków o tzw. strukturze
reocast
(o rozdrobnionych i skoagulowanych wydzieleniach roztworu stałego  Al )
w stanie stało-ciekłym; sferoidyzację krzemu obserwowano także przy
zastosowaniu technologii rapid solidification [10].
Opracowywania i wdrażania nowoczesnych metod obróbki cieplnej, na przykład:
termo-cyklicznej obróbki TCO [11-13] oraz wysokotemperaturowej obróbki
(typu T4, T6 czy T7 w obszarach t sol [14,15-17, 18]).
Analiza danych literaturowych pokazuje, że możliwości – metalurgiczne,
techniczno-technologiczne i związane z obróbką cieplną – polepszenia własności
mechanicznych siluminów odlewniczych nie zostały jeszcze dzisiaj w pełni
wyczerpane.
Współcześnie coraz więcej publikacji zagranicznych poświeconych jest
zagadnieniu otrzymywania nowej klasy siluminów, tzw. siluminów sferoidalnych,
o kształtach wydzieleń krzemu zbliżonych do sferoidów - na podobieństwo wydzieleń
52
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
grafitu w żeliwie sferoidalnym. Stosunkowo prostym i w niemałym stopniu
rozwiązanym jest problem sferoidyzacji krzemu eutektycznego na drodze modyfikacji
[2, 4] i/lub sterowania szybkością krystalizacji oraz zastosowania
wysokotemperaturowej obróbki cieplnej [10, 14-16]. Temu zagadnieniu poświecona
jest większość dostępnych zagranicznych publikacji. Nie udało się dotychczas
badaczom sferoidyzować, w pełnym tego słowa znaczeniu, wydzieleń krzemu
pierwotnego. Najtrudniejszym wyzwaniem jest – jak się wydaje – opracowanie
technologii wytwarzania nadeutektycznego siluminu o sferoidalnych wydzieleniach
krzemu pierwotnego i krzemu eutektycznego, przy równoczesnej zmianie
niekorzystnych kształtów faz międzymetalicznych - w tym szczególnie faz żelaza.
Niedawne przeprowadzone badania [5] w Instytucie Odlewnict wa w Krakowie
potwierdziły niedawne informacje z literatury światowej o pozytywnym wpływie
niewielkich dodatków strontu nie tylko na eutektykę krzemową, ale także na rozkład
i zmianę morfologii (na bardziej zwartą) wydzieleń faz żelazowych
w podeutektycznych siluminach typu AK9.
Na możliwość uzyskiwania sferoidów krzemu eutektycznego i jednocześnie
bardziej korzystny kształt faz międzymetalicznych miedzi w stopach układu Al-Si, na
drodze zastosowania wysokotemperaturowej obróbki cieplnej, wskazują wyniki pracy
słowackich badaczy [14]; również w tym przypadku modyfikacja, jak i zwiększona
prędkość krystalizacji, sprzyjały sferoidyzacji krzemu eutektycznego przy
wysokotemperaturowej obróbce cieplnej [14,18].
Z powyższego krótkiego zestawienia wynika, że najlepsze efekty sferoidyzacji
siluminów uzyskać można przy jednoczesnym zastosowaniu kilku ww. metod
zwiększania kompleksu własności mechanicznych: poprzez zastosowanie nowej
technologii odlewania i modyfikacji, modyfikacji i nowego (lub zmodyfikowanego)
sposobu obróbki cieplnej, itd.
W pracy [1] zanalizowano – od strony dostępnych danych specjalistycznej
literatury oraz własnych opracowań – zagadnienie sferoidyzacji faz krzemowych
w stopach układu Al-Si przy zastosowaniu klasycznych, czy też specjalnych sposobów
obróbki cieplnej. Jak wynika z dokonanego przeglądu, większość dostępnych wyników
prac dotyczy długotrwałej (od 5… 15 [h]), wysokotemperaturowej – jednak poniżej
początku przemian fazowych w siluminach typu A356, A357 (AK7). W ciągu ostatnich
kilku lat pojawiły się jednak publikacje [15-17] dotyczące zastosowań krótkotrwałej
(kilkuminutowej) ekspozycji podobnych siluminów w temperaturach przekraczających
próg początku ich nadtapiania (nazwane obróbkami SST – od ang. silicon
spheroidization treatment ) - w celu ogólnej poprawy własności mechanicznych –
w tym wytrzymałościowych oraz plastycznych (z wydłużeniem względnym
dochodzącym do 18 %) [15-17].
Właśnie taki rodzaj obróbki cieplnej, ze względu na jej prostotę oraz szybkość
(a zatem oczekiwany efekt ekonomiczny), w połączeniu z modyfikacją - był
przedmiotem zainteresowania autorów niniejszej publikacji. Celem podjętych badań
[1] była m.in. próba praktycznego sprawdzenia możliwości wykonania takiego sposobu
obróbki cieplnej w warunkach krajowych (Instytutu Odlewnictwa w Krakowie)
53
i ewentualna ocena skali wzrostu parametrów wytrzymałościowych i/lub plastycznych
wybranego podeutektycznego s iluminu.
2.
METODYKA
2.1. Przedmiot badań
Zgodnie z dokonanymi ustaleniami w pracy [1], przedmiotem badań był stop
typu AK7- AlSi7M. Doświadczalny stop zamówiony w stanie wyjściowym bez strontu
w „ALUMETAL” Sp. z o.o. Kety; jego skład chemiczny podaje w poniższa tablica 1.
Tablica 1. Skład chemiczny doświadczalnego siluminu podeutektycznego typu AK7
Table 1 Chemical composition of t he tested hypoeutectic silumin, type AK7
Skład chemiczny stopu, w [% mas.] , pozostałe A l
Si Cu Mg Mn Ni Fe Zn Ti
Reszta
AK7 AK7 1p J 176 1317/2004 6,86 0,20 0,40 0,24 - 0,40 0,03 0,06
Modyfikację strontem, w docelowej ilości 0,04 … 0,06 % mas. Sr w stopie,
postanowiono przeprowadzić w czasie wytopu w postaci zaprawy prętowej Al-Sr10.
Oznacze
nie
stopu
wytopu
atestu
Rodzaj
stopu
2.2. Założenia do badań
Postanowiono zbadać możliwości podwyższenia własności
wytrzymałościowych i/lub plastycznych w doświadczalnego podeutektycznego
siluminu (AK7) oraz wstępnie ocenić wstępnie stopień sferoidyzacji krzemu
eutektycznego poprzez zastosowanie zmodyfikowanej obróbki cieplnej typu T6.
Zmiana polegała na zastosowaniu krótkotrwałej (1, 3 i 6 min – wybrane na podstawie
danych literaturowych) ultra-wysokotemperaturowej ekspozycji (wyżarzaniu t wyż. )
doświadczalnego stopu w pobliżu temperatury t nadtap. początku jego nadtapiania w trzech
następujących wariantach:
1 t nadtap. - 10 [ 0 C] , 2 t nadtap.. [ 0 C], 3 t nadtap. + 10 [ 0 C].
Nowy rodzaj obróbki cieplnej, typu T6, całościowo polegał na (rysunek 1):
stosunkowo szybkim nagrzewaniu odlanych wcześniej prętów próby
wytrzymałościowej do wybranej temperatury t wyż . (w pobliżu t nadtap. ), przetrzymaniu ich
w czasie 1, 3 lub 6 min w danej temperaturze, szybkim schłodzeniu w zimnej (20 0 C)
wodzie i ostatecznie poddaniu klasycznemu starzeniu (typowego dla danego stopu).
54
894036295.060.png 894036295.071.png 894036295.074.png 894036295.001.png 894036295.002.png 894036295.003.png 894036295.004.png 894036295.005.png 894036295.006.png 894036295.007.png 894036295.008.png 894036295.009.png 894036295.010.png 894036295.011.png 894036295.012.png 894036295.013.png 894036295.014.png 894036295.015.png 894036295.016.png 894036295.017.png 894036295.018.png 894036295.019.png 894036295.020.png 894036295.021.png 894036295.022.png 894036295.023.png 894036295.024.png 894036295.025.png 894036295.026.png 894036295.027.png 894036295.028.png 894036295.029.png 894036295.030.png 894036295.031.png 894036295.032.png 894036295.033.png 894036295.034.png 894036295.035.png 894036295.036.png 894036295.037.png 894036295.038.png 894036295.039.png 894036295.040.png 894036295.041.png 894036295.042.png 894036295.043.png 894036295.044.png 894036295.045.png 894036295.046.png 894036295.047.png 894036295.048.png 894036295.049.png 894036295.050.png 894036295.051.png 894036295.052.png 894036295.053.png 894036295.054.png 894036295.055.png 894036295.056.png
 
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
t wy ż
Sztuczne starzenie:
150 ... 160 0 C, przez 4 ... 6 h
c z a s
Rys. 1. Ideowy schemat przebiegu skróconego procesu obróbki cieplnej typu T6
Fig. 1. A pictorial diagram of the short-lived heat treatment process, type T6
2.3. Wytopy doświadczalne
Wytopy doświadczalne wykonywano w elektrycznym (oporowym) piecu
tyglowych typu PET, z tyglem grafitowym, o pojemności ok. 50 kg stopu aluminium,
znajdującego się w pomieszczeniach laboratoryjnych Zakładu TN Instytutu
Odlewnictwa w Krakowie.
Doświadczalny stop AK7 po roztopieniu podgrzano początkowo do
temperatury ok. 690 … 710 0 C, po czym wprowadzano odpowiednią ilość zaprawy
AlSr10, w celu otrzymania w stopie  0,05 Sr. Po 10. minutach przetrzymywania
zmodyfikowanego stopu, jego temperaturę doprowadzano do poziomu 730 … 740 0 C.
55
894036295.057.png 894036295.058.png 894036295.059.png 894036295.061.png 894036295.062.png 894036295.063.png 894036295.064.png 894036295.065.png 894036295.066.png 894036295.067.png 894036295.068.png 894036295.069.png 894036295.070.png 894036295.072.png 894036295.073.png
 
Zgłoś jeśli naruszono regulamin