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
N°
wytopu
N°
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
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
Plik z chomika:
gebbers
Inne pliki z tego folderu:
Obróbka cieplna Okoniewski.doc
(2276 KB)
E. Czekaj, A. Fajkiel, A. Gazda - Krótkotrwała ultrawysokotemperaturowa sferoidyzacyjna obróbka cieplna siluminów.pdf
(577 KB)
Obróbka cieplna stopów żelaza.pdf
(1204 KB)
Obróbka cieplna stali (AGH).pdf
(13403 KB)
System sterowania procesami galwanicznymi _ Galwanizernie - chromowanie niklowanie anodowanie cynkowanie.pdf
(74 KB)
Inne foldery tego chomika:
Obróbka plastyczna
Obróbka skrawaniem
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin