CIEPLNEJ STOPÓW AJ-Si-Cu

36/14
So!idific:ation ofMc:tals and Alloys. No.36, 1998
i Stopów, Nr 36, 1998
PAN - Oddział Katowice
PL ISSN 0208-9386
KrzepnięcieMdali
ROLASKLADUCHEMICZNEGOPODCZASOBRÓB~
CIEPLNEJ STOPÓW AJ-Si-Cu
KACZOROWSKI Mieczysław, KRZYŃSKA Anna
Politechnika Warszawska
ul.Narbutta 85, 02-524 Warszawa
l. Wprowadzenie
Nieustanne dążenie do mmiejszenia masy konstrukcji powoduje wzrost
stawianych materiałom konstrukcyjnym. Dotyczy to również tworzyw
odlewniczych, zarówno z grupy stopów Fe jak i Al. Wśród tych ostatnich
najpowszechniej stosowanymi są stopy Al-Si często zawierające dodatek Cu i Mg,
które umożliwiają ich obróbkę cieplną zwaną umacnianiem wydzieleniowym.
W warunkach przemysłowych parametry obróbki cieplnej, takie jak temperatura
i czas, są ustalone dla danego stopu pod kątem uzyskania założonych właściwości
mechanicznych. Z drugiej strony wiadomo, że każda norma dopuszcza mniejsze lub
większe odchylenie od składu chemicznego. Jawi się pytanie: jak bardzo odstępstwo
od założonego składu chemicznego wpływa na przebieg procesów wydzieleniowych
i dalej w jak wielkim stopniu oddziałują one na właściwości odlewu?
Przedmiotem niniejszej pracy są badania wpływu składu chemicznego na
strukturę i v.łaściwości mechaniczne stopu AK53.
wymagań
2. Metodyka badań
Materiałem
do
badań były
próbki ze stopu AK53 o
składzie
podanym
w tablicy l.
Tablica 1.
NnwtOOU
1
2
3
4
5
6
7
8
Skład
chemiczny stopów
SKŁADNIKI STOPOWE f% waaT
Si
Cu
Ma
Mn
2.28 ·. · 0.05
0.14
J.n
0.05
6.23
3.95
5.87
2.64
0.13
6.68
2.55
0.05
·4.76
4.26
0.15
3.89 - 0.06
; 4.56
:·:4.ss ' -_ 2..20.): 0.15
. -4.51
5.95
0.25
0.33
0.25
0.30
0.44
0.29
0.56
0.55
DOMIESZKI [% waa.l
Ni
Zn
Fe
0.15
0.47
0.48
0.39
0.49
0.35
0.41
0.52
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.10
0.09
01!_
0.44
0.08
0.12
0.53
0.45
Suna sklacilików [%]
n
r..
Si-tCu+Mg
Cu+Mg
0.12
0.06
0.05
0.08
0.06
0.11
0.11
0.11
7.48
10.83
11.47
6,84
9.86
10.23
2.33
3.91
4.00
9,87
8.64
2.77
10.37
10.06
10.14
8.68
9,28
9.17
8.51
7.03
2.60
4.41
3.95
2.35
112
Topienie, którego szczegóły podano w pracy [I], przeprowadzono w piecu
tyglowym opalanym gazem o pojemności 150kg. Proces prowadzono pod
przykryciem żużli polaywająco-rafinujących Pokal 6. Po stopieniu stopy
rafincwano za pomocą preparatu Degaser VP 534 a następnie modyfikowano
z wykorzystaniem modyfikatora KAPMOD. Z tak przygotowanego ciekłego metalu
wykonywano odlewy schodkowe o grubości schodków 4, 20 i 40mm, które poddano
pełnej obróbce cieplnej obejmującej :
• wyżarzanie ujednoradniające przez 7 godzin w temperaturze 510 ± 5°C,
• przesycanie w wodzie o temperaturze 60 - 80°C,
• starzenie przez 7 godzin w temperaturze 170 ± 5°C.
Przygotowane w ten sposób próbki były badane w celu określenia: R",, As,
oraz HB. Dodatkowo wykonano jeszcze badania udarności oraz pomiary
mikrotwardości osnowy. Obok badań właściwości mechaniemych stopy poddano
obserwacjom metalograficznym, oraz w skaningowym (SEM - Scanning Electron
Microscope) i transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM- ang. Transmission
Electron Microscope ).
Zgłady metalograficzne sporządzono tradycyjnie metodą szlifowania na
papierach ściernych i polerowania na tarczy filcowej zwilżanej wodną zawiesiną
tlenku glinu. Obserwacje w SEM przeprowadzono na przełomach uzyskanych
podczas badania udarności zaś preparatami do badań w TEM były cienkie folie,
otrzymane przez ścienianie elektrolityczne metodą strumieniową.
3. Wyniki badań
3.1. Własności
~haniczne
stopów
Wyniki badań własności mechanicznych stopu AK53 w stanie lanym
zamieszczono w tablicy 2a zaś po obróbce cieplnej w tablicy 2b.
·Tablica 2a. Właściwości stopu AK53 w stanie lanym,
Nr wytopu
Rm [MPa)
Ro2[MPa)
As[%)
HB
Lskładników
1
2
3
4
5
6
7
8
198
219
235
200
209
209
223
212
92
112
139
104
4.6
4.1
4.5
5.7
6.6
2.3
4.3
4.7
76
7.48
10.83
11 .47
9.87
10.37
10.06
10.14
8.68
1%1
90
127
105
98
94
90
86
83
87
90
82
113
Tablica 2b. VVłaściY.ości stopu AK53 po obróbce cieplnej
Nrwyq,&l
Rm IMPal
RoPal
~l%)
H8
WN
KCV
1
201
328
138
1.75
299
171
1.3
85.4
139
51.6
68.7
0.93
3.0
113
54.9
0.95
2.2
4.7
0.9
1.7
117
98
57.1
48.1
611.8
71.8
1.14
1.22
0.87
0.91
1.45
2
3
266
4
2IfT
224
291 - -
5
6 .
-7
316
8 ·- - 289 :.
·-
228
127
21J
253
214
3;1
133
128
111
58
1.15
Z pobieżnej analizy wartości zestawionych w tablicy 2a i b widać, że
mechanicme badanych stopów typu AK53 różnią się zasadniczo. Dla
przykładu wystarczy przytoczyć wytnymałość na rozciąganie, która po obróbce
cieplnej zmienia się od 201MPa (stop nr l) do 328MPa (stop nr 2). Różaka ta
wynosi U7MPa co stuowi ponad W.4 w stosllllb de stopu o aajiDiiejsuj
wytrzymaWd u fWduanie!
właściwości
l.l. Mikrostraldura
Badania metalograficme
Badania mikrosaruktury ro~ od obserwacji metalograficmych, którymi
wszystkie stopy. Badania wykazały obecność dendrytów roztworu stałego a
na de rozdrobnionej eutektyki Wyjątek stanowiły próbki o numerach 3 i 5,
w których krzem eut.ektycmy miał postać dużych igieł, co musiało być slultkiem
zaniku efektu modyfikacji. Jako przykład mikrostruktury badanych stopów, na rys. l
połammo zdjęcia otrzymane dla stopów nr 6 i 8, charakteryzujących się najmniejszą
i największą udamością (tablica 2b).
objęto
Rys.1 . Mikrostruktura stopu AK53 otrzymana w odlewach: a - nr 6 i b -nr 8 (x50)
ll4
Ze zdjęć (JYS.l) wynika, iż
mikrosttuktura stopów 6 i 8 różni się dość wyraźnie.
ta polega na mniejszym udziale i bardziej równomiemym rozłożeniu
krzemu eutektycmego w stopie nr 8 w porównaniu do stopu nr 6.
Różnica
Obsetwacje w SEM
Badaniom w skaningowym mikroskopie elektronowym poddano przełomy
otrzymane w wyniku badań udarności. Ich celem było uzyskanie informacji, które
pomogły by odpowiedzieć na pytanie co jest przyczyną wyraźnie różiiej energii
pękania stopów będących w rozumieniu PN tym samym stopem. Z obserwacji
wynika, że powierzchnia przełomów jest podobna i charakteryzuje się dużym
rozwinięciem powierzchni. Obok jamek (kraterów) obecnych w miejscach pękania
metalicmej osnowy na prLdomach są widocme obSZ81)' typowe dla pęknieć
łupliwych (2]. W tym wypadku są nimi powierzchnie łupliwości wydzieleń krzemu
eutektycmego [3].
b.
Rys.2. Powierzchnia
przełomu
próbek: a - ze stopu nr 6 i b - ze stopu nr 8
(x1000).
Na rys.2 zamieszczono przykład przełomów próbek wyciętych u stopów
o numerach 6 i 8, w przypadku których praca miszeunia wynosi odpowiednio 0.89
oraz 1.45 J.
·
Obserwacje wTEM
Badania w transmisyjnym mikroskopie elektronowym miały zasadnicze
macunie, dla rozstrzygnięcia przyczyn różych własności mechaniemych próbek u
stopu AK53. Jakkolwiek preparatyka w odniesieniu do stopów odlewniczych jest
niezmiernie skomplikowana tym niemniej obserwacje przeprowadzono dla
wszystkich stopów. Głównym celem badań było uzyskanie danych o stadium
procesu umacniania, rodzaju wydzieleń oraz ich gęstości. Z obserwacji wynika, iż
dominującą fazą umacniającą są wydzielenia fazy metastabilnej S', której można
przypisać formułę (CuMg)Ah [4].
liS
a.
b.
Rys.3. Mikrostruktura stopu
c.
AK53 po przesycaniu i
starzeniu: a - mikrografia
elektronowa, b - obraz
dyfrakcji elektrono'łt'ej
Wydzielenia posiadają postać drobnych płytek równomiernie rozmieszczonych
w trzech wzajemnie prostopadlych płaszyznach, którymi są płaszyzny { l 00}
osnowy roztworu stałego a . Jak wynika z analizy obrazów dyfrakcji elektronowej.
wydzielenia są przynajmniej częściowo osnową. Charakterystyczne rozciągnięcie
refleksów dyfrakcyjnych na elektronogramach dowodzi, iż płytki muszą być bardzo
cienkie [5]. Przykład struktury obserwowanej w obrobionych cieplnie stopach
AK53 pokazano na rys.3.
ll6
Obok obserwacji o charakterze metalografiemym przeprowadzono badania
ilościowe w celu oszacowania gęstości wydzieleń.
grubość folii wynosi l SOnm
Tablica 3.
Nr . . .
1
2
3
4
5
6
7
8
1
•
Gęstość wydzieleń
Do obliczeń założono,
że średnia
W}niki obliczeń zamieszczono w tablicy 3.
w stopach AK53
:t sldadnikbw
Cu+Mg
Liczbil
Powieacłlia
Objętość
GĘSTOŚĆ WYDZIELEŃ p
L%1
1%1
wvdzieleń
(m2 X 1()-1)
7.48
10.83
11.47
9.87
10.37
10.06
10.14
8.68
2.33
3.91
4.00
2.n
2.60
4.41
3.95
2.35
1710
3438
2337
7.niJ
9.617
9.617
6.611
11.861
6.365
11.861
9.617
(m3x 1()--~
116±29
144±36
144±36
99±25
178±45
95±25
178±45
144±36
x1015M
15±4
24±6
16±4
27±6
16±4
22±5
41 ± 10
15± 1
2649
2817
2118
7386
690
4. Dyskusj a wyników badań
Na wstępie należy zauważyć, że w pracy występują dwa zagadnienia.
Pierwsze z nich dotyczy właściwości odlewów z grupy stopów AK53 bezpośrednio
po odlaniu, drugie ich właściwości po obróbce cieplnej. Analiza pierwszego musi
obejmować zależność poszczególnych właściwości od sumy składników, a przede
wszystkim od lącmej zawartości Si oraz Cu. Jeśli idzie o właściwości stopów po
obróbce cieplnej, to główną rolę odgrywają pierwiastki mające bezpośredni związek
z tworzeniem faz umacniających, tj. Cu i Mg. Uwzględniając powyższe analiza
zostanie przeprowadzona w dwóch etapach.
Właściwości
stopu AK53 w stanie lanvm
iż podczas analizy właściwości stopów
po odlaniu pominięto wytopy 3 i 5, któ:rych mikrostruktura
wskazywała na zanik efektu modyfikacji eutektyki. Umano, iż obecność dużych
igieł Si eutektycmego może miekształcić wyniki badań własności mechanicmych,
zwłaszcza R",, Ro.2 i As2, aczkolwiek nie powinna wpłynąć na twardość stopów.
Wykresy ukazujące zmianę umownej granicy piastyeroości i wydłużenia w funkcji
zawartości pierwiastków stopowych zamieszczono na :rys.4.
Z wykresu (:rys.4a) wynika jednomacmie, że wzrost zawartości pierwiastków
stopowych powoduje wzrost Ro.2. Przebieg zmian wydłużenia w funkcji zawartości
pierwiastków stopowych trudno uznać za monotonicmy. Podstawo~
"zakłóceniem" jest stop nr 6, któ:ry mimo iż nie należy do najbardziej stężonych to
jednak odmacza się wyjątkowo małym wydłużeniem. Powodem takiego
Na
wstępie należy zamaczyć,
bezpośrednio
Wybór miejsca obseJWacji, w którym określano liczbę wydzieleń przeprowadzano uwzględniając
in1ensywność w warunkach zapewniających możliwie jednorodne oświetlenie obszaru oraz dobry
kontrast od wydzieleń .
2
Wr*fw krzemu eutektycznego może być dwoj aki. Z j ednej strony duże wydzielenia igieł krzemu
eutektycznego oddziałują jako koncen1ratory naprężenia , z drugiej jednak strony obecność
dużych wydzieleń sprzyja obecności znaczych przestrzeni między nimi. Te ostatnie umożliwiają
stsunkowo łatwe płynięcie plastyczne do momentu osiągnięcia takiego poziomu naprężenia ,
które powoduje gwałtowną inicjajcję i rozprzestrzenianie pęknięcia .
3
Idzie o sumaryczną zawartość pierwiastków stopowych.
1
117
zachowania stopu może być fakt. iż stop ten charakteryzuje się najwyższą
zawartością Cu. Miedź lokuje się zwykle na granicach ziarn w postaci twardych
i kruchych wydzieleń fazy AhCu i w przypadku dużej zawartości może nawet
utworzyć ciągłą warstewkę wzdłuż granic ziarn, która zdecydowanie zwiększa
kruchość stopu .
.
~
...!.
..
a.
a::
40
20
o
7.48
8.68
9.87
10.06
10.14
10.63
Suma aldaclnlków [%)
6.00
5.00
b.
~
c
...
4.00
3.00
2.00
1.00
7.48
8.68
9.87
10.06
10.14
10.83
Swna akladnlków [%)
Rys.4. Zależność v.łaściw:>ści stopu AK53 w stanie lanym od sumy pierwiastków
stopowych: a - Ro.2 oraz b - As.
Potwierdza to wydłużenie innych stopów AK53,
Cu w stopie.
odznaczających się zwiększoną
ilością
Właściwości
stopu AK53 po obróbce cieplnej
W przypadku stopów AK53 umocnionych wydzieleniowo, analiza dotyczy
przede wszystkim tych procesów, które dokonały się w objętości roztworu stałego
a . Jak już wspomniano, istotne są tutaj dwa pierwiastki a mianowicie Cu oraz Mg,
ponieważ każdy z nich może doprowadzić do umocnienia przez wytworzenie faz
metastabilnych e' lub W. W przypadku gdy występują równocześnie zwykle pojawia
się faza S', którą zidentyfikowano podczas obserwacji wTEM. Zważywszy na to, iż
umacnianie dotyczy osnowy roztwory stałego, jest logiczne aby analizę
przeprowadzić pod kątem wzrostu twardości stopów w funkcji zawartości Cu i Mg
dla wszystkich stopów.Taką zależność pokazano na rys.5.
ll8
r--------------~~~-.r--------~~·
; .,
....
1----------------ł•<' --~----ł:~-
2.33
2.35
2.6
2.77
3.91
3.95
4
4.41
Cu+Mg[%]
Rys.S. Przyrost twardości osnowy roztworu stałego a od zawartości Cu i Mg.
Jakkolwiek wykres nie jest monotoniemy to jednak wynika z niego, że im większa
jest zawartość Cu + Mg tym większe jest umocnienie stopu. Fakt, że wzrost
twardości nie jest proporcjonalny do lącmej zawartości miedzi i magnezu wynika
zapewne z różnej zawartości krzemu. Choć krzem nie daje wkładu w umocnienie
wydzieleniowe to jednak jako składnik o dużej twardości wpływa na twardość
stopu ograniczając objętość, w której może zachodzić odkształcenie plastycme.
Wykres pokazany na rys.S jest makroskopowym odzwierciedleniem skutków
umacniania wydzieleniowego. Z punktu widzenie ~awisk jakie dokonały sie
w stopach podczas obróbki cieplnej wydaje się, że najbardziej miarodajna byłaby
zależność ukazująca zmiany nie twardości HB lecz mikrotwardości osnowy
w funkcji Cu oraz Mg. Posłużenie się pomiarem mikrotwardości powinno
umożliwić uwolnienie się od wpływu krzemu eutektycmego, który zakłóca
interpretację wyników badań. Zważywszy na stosunkowo niewielką zawartość
magnezu zdecydowano się sporządzić zależność między sumą Cu + Mg, gęstością
wydzieleń (p) oraz mikrotwardością jJliV (rys.6).
i ~;~\,
l{1Q {
1/l"rla]
Rys.6. Zależność między mikrotwardością osnowy J.1HV a sumą Cu + Mg i
gęstością wydzieleń fazy umacniajacej.
119
Takie zestawienie wydawało się logiczne ze względu na to, że umocnienie
roztworu stałego - a, którego miarą jest mikrotwardość. dokonuje się za
pośrednictwem wydzieleń i powinno wzrastać ze wzrostem ich gęstości. Z drugiej
strony, gęstość wydzieleń jest funkcją przesycenia roztworu stałego oraz
temperatury i czasu starzenia. Uwzględniając, iż te ostatnie były j ednakowe d1a
wszystkich stopów (7 h w temperaturze l 70 ± 5°C) ich wpływ można pominąć.
Z wykresu wynika jednoznacznie, że umocnienie osnowy rośnie ze wzrostem
ilości Cu oraz Mg, których ilość decyduje o gęstości wydzieleń. Wzrost twardości
osnowy jest spowodowany przede wszystkim wyd.7jeleniem cząstek metastabilnej
fazy s· blokujących ru.ch dyslokacji poruszajacych się w płaszczyznach łatwego
poślizgu. Skuteczność wydzieleń determinują dwa czynniki, a mianowicie: opór jaki
stawiają wydzielenia a więc ich rodzaj oraz gęstość, ta zaś wzrasta ze stopniem
przesycenia atomami miedzi i magnezu (p= f(Cu+Mg)).
5. Wnioski
Podstawowym wynikiem badań przeprowadzonych w ramach niniejszej pracy
jest stwierdzenie zależności między właściwościami mechanicznymi a składem
chemicznym stopu AK53, zarówno w stanie lanym jak i po obróbce cieplnej.
O tym, że istnieje bezpośredni związek między składem chemicznym
a właściwościami stopu wie każdy i potwierdzenie tej zależności nie wnosi nic
nowego do wiedzy na temat relacji: skład chemiczny - !.truktura - właściwości
stopu. Nie taki był też zamysł pracy. Nadrzędnym celem było:
• Ustalenie relacji ilościowych między tym jak bardzo właściwości mechaniczne
zależą od zmiany składu chemicznego?
W tym względzie ustalono, że różnice składu chemicznego, jakkolwiek
mieszczące się w granicach normy, mogą prowadzić do różnic w właściwościach
odlewów sięgających nawet kilkadziesiąt procent w stosunku do wartości
nominalnych!
• Określenie które pierwiastki wywierają największy wpływ na właściwości !>1opu
w stanie lanym i po obróbce cieplnej?
W wyniku badań ustalono, że najbardziej krytycznymi pierwiatkami są Si oraz
Cu, przy czym zarówno niedobór jak i nadmiar każdego z nich, w odniesieniu do
zawartości nominalnej, istotnie wpływa na właściwości odlewów ze stopu AK53
w stanie lanym. W przypadku obróbki cieplnej, której celem jest umocnienie
staiZenie, pierwiastkiem
wydzieleniowe a obejmującej przesycanie
decydującym jest Cu.
• Wykazanie nieprawidłowości w stosowaniu takich samych parametrów obróbki
cieplnej (czasu i temperatury), niezależnie od różnicy składu chemicznego.
• W skazanie koniecmości zawężenia tolerancji składu chemicznego (głównie Cu)
w odpowiednich normach lub jego sprawdzania.
120
Uteratura.
l. Kaczorawski M., Bindas J., Górzyński P., Rutkowski P.: O wpływie składu
chemiemego stopu AK53 na jego własności mechanicme, Mat.XV Symp.ZO
ITB PW i OW STOP, Warszawa 1990, s. 14.
2. Praca zbiorowa:Metal Handbook· Fractography, vo.l2, ed.ASM International,
Metais Park Ohio, USA, 1988
3. M.Kaczorowski, R.Szostak: Geiugeeinflufł auf den Ausscheidungsprozes in einer
AISi9-Lgierung, Aluminium, 59( 1983)p.924.
4. Praca zbiorowa: Aluminium: Properties and Physical Metallurgy, ed.J.E.Hatch,
ASM, Metais Park, Ohio USA, 1984.
S. Thomas G., Goringe M.J.: Transmission Electron Microscopy of Materials, John
Wiley & Sons, New York USA, 1979.