Archives of Foundry, Year 20Q4, Volume 4, Ns 11

Archiwum Odlewnictwa Rok 2004, Rocznik 4, Nr 11

PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308

MIKROSTRUKTURA O D L E W ~ W ZE STOPU A291 OTRZYMANYCH Z ZASTOSOWANIEM

GORqCOKOMOROWYCH MASZYN CISNIENIOWYCH

K.N. BRASZCZY~SKA-MALIK', R. CIBIS~, J . B R A S Z C Z ~ ~ S K I ~ ' lnstytut intynierii Materialowej, Katedra Odlewnictwa, Politechnika Czgstochowska,

Al. Arrnii Krajowej 19,42-200 Czestochowa ' Nowoczesne Technologie Produkcji NTP Sp. z o.o., ul. Szkolna 15,

47-225 Kcdzierqn-Kozle

STRESZCZENTE

Przedstawiono charakterystykq miksostrukturalnq odlewbw ze stopu magnezu A29 1 wykonanych z zastosowaniem gorqcokomorowej maszyny ciinieniowej. Struktvra odlewtjw byl-a efektywnie rozdrobniona (okolo 10-krotnie) w porownaniu z odlewarni piaskowymi. Obserwowano roztwdr stafy a oraz mi~dzyrnetalicznq faze y (A1 12MgE7).

Key words: high pressure die casring, magnesium alloy, rnicrosrructure

1. WPROWADZENIE

Stopy magnezu stanowiq obecnie intensywnie rozwijajqcq siq grupg metali lekkich konkurujqcych coraz wyrainiej ze stopami aluminium, jak i tworzywami sztucznymi. Prowadzone w ostatniej dekadzie intensywne badania generujq rozwbj zar6wno samych stopow Mg pod wzglqdem materialowym (coraz nowe modyfikatory czy pieswiastki stopewe jak ziernie rzadkie, wapn czy stront) jak rdwniet pod wzglqdern motliwoici wytwarzania i ksztahowania struktury (odlewnictwo piaskowe, ciinieniowe jak i tixotropowe). Szeroko prowadzone badania przyczyniajq siq do rozwoju stop6w magnezu oraz pozwalajq na coraz szersze ich zastosowanie w wielu galqziach techniki. Dodatkowym czynnikiem atrakcyjnogci tych odlew6w jest z roku na tok nitsza cena samego stopu.

t dr in%., knchn@mim.pcz.czest.pl, r.cihi~@ntp.c0m.p1. prof dr hab in&, braszcz@mim.~cz.czest.pI

Najpopulamiejszymi stopami magnezu stosowanymi w odlewnictwie ciSnieniowyrn sq stopy z dodatkiem aluminium, poprawiajqcym rn.in. IejnoSd. Do gt6wnych stop6w nale2q; AZ91, AM50, AM60, AS41 (ASTM B93-94) oraz nowe AM20, AS21 czy AE42 proponowane rn-in. przez firm? Hydro Magnesium. Ostatnio na rynek wchodsq rdwniet nowe stopy magnezu, rn-in. MRI 153M czy MRI230D opatentowane przez Dead Sea Magnesium. Stopy te spetniajq wszystkie wymogi odlewnictwa ciinieniowego i stosowane sq z powodzeniem na odlewy ciSn ieniowe.

G16wnymi zaletami odtewnictwa ciSnieniowego stop6w magnezu jest bezposrednie uzyskiwanie lekkich elernentdw finalnych o zaprojektowanym ksztatcie. TrudnoSC podstawowq w porbwnan iu do od lewnictwa stopbw alum iniurn stanowi koniecznoSC zapewnienia atmosfery oc hronnej dla stop6w magnezu w cafym cyklu produkcyjnym od rozlopienia metalu do uzyskania wyrobu finalnego oraz system dozowania okreSIonych porcjf metalu d o komory maszyny [ l -GI, Do talet odlewnictwa stopow magnezu mozna jednak zaliczyt mn iejsze zukycie oprzyszqdowan ia ze wzgledu na nitsze temperatury procesu, dlutszq AywotnoS.6 form (2krotnie lub wiecej w porownaniu do odlewnictwa stop6w Al) ze wzglqdu na mniejszy stoswnek ciepFa do objqtoici Mg oraz bardzo niskq rozpuszczalnoSC ielaza w cieklyrn rnetalu, jak r6wnie2 okolo 50% redukcjq tugcia Srodk6w smarujqcych z powodu nikszej entalpii magnezu (okolo 2/3 Al) i mniejszej niZ stopdw aluminium skFonnoSci do przywierania do formy 19- 1 I ] .

W Swiatowyrn odlewnictwie ciinfeniotyrn sfop6w magnezu stosowane sq zartiwno zim no jak i gorqcokomorowe mastyny c ihnieniowe. W maszynac h gorqcicokomorowych statyczne ciinienie metalu jest zwykle rnniejsze n i i w maszynach zimnokomorowych i nlieSci siq w zakresie 20-30MPa. Dla rnaszyn zimnokomorowych statyczne ciSnienie jest zwykle w zakresie 30-7QMPa. Stosowanie obu rozwiqzah odlewnictwa ciSt-iiuniowego jest jcdnak motli we dla wielu stopow ma, onezu.

W pracy przedstawione analizy mi krostuklturalne odlew6w ciinieniowych ze stopu AZ9 1.

2. MATERIAL 1 METODYKA

Prezentowane odlewy wytworzono ze stopu A291 o skladzie zamieszczonym w tabel i 1 . Odlewy zostaly wytworzone przez firme Nowoczesne Technologic Produkcji NTP w Kqdzierzynie-Koile, z zastosowaniem gorqcokornorowej maszyny ciinieniowej WEM wlasnej konstrukcji o sile zwarcia 280 ton. Makrografiq obrazujqcq przykladowy odlcw ze stopy AZ9 I D przestawiono na rysunku 1.

Tabela I .Skiad stopu AZ9 1 wedlug ASTM B93-94 Table I . A29 I alloy composition according to ASTM B93-94

skhd [%] A1

8,5-9,s

Mn

0,17-0,40

Si (max.) 0,05

Zn

0,45-0,90

Cu (rnax.) -------- 0,025

Ni (rnax.) 0,002

Fe (max.) 0,004

Inne (max.) 13,0 1

Mg

reszta

1 1 ~ s . 1. Makrogralia odle\vu ci inicni tn~ cgo /c stopil A29 I Fig. I . Macrographs of [he AZ9 1 alloy pressure die casting

Stopy magnez-alumin ium posiadajq budowe dendrytyczna i charakteryzujq siq si lnq sktonnoSciq do segregacj i z powodu stosvn kowo szerokich zakres6w ternperatur porniqdzy likwidusem i solidusern. Nierbwnowagowe warunki hepniccia tych stopbw powodujq powstawanit dutych krysztatdw fazy a (zubotonej w aluminium) oraz spychanie domieszki At do przestrzeni miedzydendrytycznych, gdzie w koncowym etapie krzepniecia powstaje faza y, kt6ra stanowi faze na osnowie zwiqzkzt miqdzyrnetalicznego AllzMgl7 [ I 21, W porbwnaniu do podwdj jntgo ukladu Mg-AI, w potrdjnym stopie Eypu Mg-Al-Zn nie wystqpujq nowe Fuy pod warunkiern, ze stosunek aluminium do cynku jest wickszy od 3: 1 .

W pordwnaniu do element6w odlewanych do form metalowych czy piaskowych mikrostruktura odlewow ciSnieniowych charakteryzuje sig intensywnym rozdrobn ien iern wieI koSci dendrytbw omt dziqki temu zwiqkszeniem i IoSci fazy y w przestrzeniach m iqdzydendrytycznych. Powodtlje to wvost twardodci o okolo 20H B. Na rysunku 2 przedstawiono rnikrostrukturq od3ew6w ze stopu A29 1 otrzyrnanych z zastosowan iern gorqcokomorowej maszyny ciSnieniowej oraz dla porhwnan ia rn i krostrukturq odlewu piaskowego. Wiel koSC ramion dendrytdw w odlewach piaskowych dochodzi do 200-300 pm, podczas gdy w odIewach ciSnieniowych zredukowana jest okolo dziesiqcioksotnie.

Na przekroju odlewdw wykonywanych z zastosowaniern gorqcokomorowych rnaszyn cif nien iowych rnotna jednak zaobserwowaC zr6tnicowanq wiel koSC dendryt6w (rys. 3). Od brzeg6w odlewu obsenvuje sic strefq bardzo drobnoziarnistq, przedstawionq na rysunku 3a. WieIkoSC dendrytbw nastepnie zwiqksza sic (rys. 3b) at do obszaru irodka przekroju odlewu (rys. 3c).

Rys. 2. Mikrostruktun stopu h Z 9 I D; odlew cignieniowy (a, b). odluw piaskowy (c, d) Fig. 2. Microstruclure of A29 1 D alloy high pressure die casting (a, b), sand casting (c. d)

Nalezy ponadto zamaczyt, t e cechq charakzerystycznq rnikrostruktur odlewciw piaskowych oraz kokilowych jest mo2liwoSC powstawania wt6rnych wydzieleh fazy AII?Mg17 [ I 3,141. Faza ta, w postaci kolonii wydzielen niecielych o charakterystycznej pfytkowej morfologii, powstaje podczas stygniecia odlewbw, po przekroczeniu linii solwus ( r y s . 26). W przypadku odlew6w cignieniowych kolonii tego mu nie obserwuje siq w strukturze.

Dla anal izowanych struktur, poza rnotliwofciq wystqpienia typowych wad odlewdw jak porowatoid czy zakuklenia, w stopach magnesv moiIiwe jest rbwniet powstawanie niejednorodnoSci wietkoSci krysztalbw fazy a. Przypadek ten ma miejsce glbwnie przy zastosowaniu tbrmy tbyt wysokiej ternperaturze. Wykrystalizowanie w pocqtkowym etapie krzepniecia duZych dendrytdw fazy a, widocznych na rysunku 4a, mo2e przyczyniai siq do powstawania dutych obszarbw eutektyki zdegenerowanej a+y (rys. 4 b). Taka mi ksostru ktura charakteryzwje siq znaczqcp niejednarodnoSciq wtaSciwoSci. MikrotwardoSt? zuboionej w aluminium fazy a waha siq na poziomie 60-64 HVOI, podczas gdy rnikrotwardoSC obszar~w eutektycznych wynasi okolo 190 HVO 1.

Rys. 3. Mik~ostruktura odlewu ciSnitniowego zc stopu ,4292; b a g odlewu {a), obszar oddalony od brzegu (b), Srodek odlewu (c) Fig. 3. Microstmcture of AZ9ED alloy; high pressure die casting; edge of the casting (a), distant area from edge (b), center of the cast (c)

R l s. 4. Mikrostmktura odlewtl ci<nieniowego ze stopu AZ9 1 D Fig. 4. Microstmcture of AZ9 1 D alloy high pressure die casting

PODSUMOWANLE

Mikrostruktvra odlew6w ze stopu A291 wykonanych z zastosowaniem gorqcokomorowej maszyny cignieniowej charakteryzuje siq drobnoziarnistoSciq oraz wystqpowaniem dendrytdw fazy a i powstawaniem zdegenerowanej eutektyki a+y.w obszarach m iqdzydendrytycznych. Ujawn ione niejednorodnoici stru kturalne mogq by6 elirninowane poprzez precyzyjny dob6r parametr6w procesu wytwanania

LITERATURA:

[ 1 3 K.K.S. Tong, B.H. Hu, X.P. Niu, I . Pinwill, Cavify pressrlre rneasuremenls and process monitoring for Mg die casting of a thin-wall hand-phone colnponent to improve qualitqr, J. Mater. Proc. Tech., 127,2002,238-24 1

[2] M. Regev, A. Agghion, A. Rosen, Creep studies of AZ9ID pressure die caslirlg, Mater. Sci. Eng., A234-236, 1997, 123- F 26

(31 E.M. Gutrnan, Y. Unigovski, M. Levkovich, 2. Koren, E. Aghion, M, Dangur, I/tJuence of technological pnrameters of permanent mold casting nnd die casting on creep nnd strength of Mg alloy AZPID, Mater. Sci. Eng., A234-236, 1997,880-883

143 E. Aghion, B. Bronifin, D. EIiezer, The role of the magnesium industry in protecfirrg the environmenr, J. Mater. Proc. Tech., I 1 7, 200 1 , 3 8 1 -385

151 A. Nahed. A. El-Mahallawy, M.A. Taha, E. Pokora, F. Klein, On file

influence of process variables on he rhermal conditions and properties of high pressure die-cast Mg alloys, J. Mater. Proc. Tech., 43, 1 998, 1 25- 1 38

[6] Y. B .Unigovsk, E.M. Gutrnan, Su&ce rnorplrology of a die-cast Mg nlloy, Applied Sur. Sci., 153, 1999,47-52

[TI A.K. Dahle. S. Snes, D.H. John, W . Westengen, Formotion of defecr bands in high pressure die cast Mg alloys, J. Light Metals, 1,2001,99-103

[8] M. Vogel, 0. Kraft, G. Dehm, E. Arzt, Quasi-crysralline grain-boundary phase in the Mg die-cast alloy 2485, Scri pta Mater., 45,2a3 1 , 5 1 7-524

[9] ,sMngnesium Alloys and Their Applications", WILEY-VCH, 1998 [ 1 I11 .JMngn~siurn A llnys and Their Applicatinns", WILEY-VCH. 2000 [ I I ] ,&fn~nesium Alloys and Their Applications", WILEY-VCH, 2003 [12] Braszczytiska K.N., Str~ctural analyses of Mg-Al alloy in as cast ar~d T6

condirions, Acta Metallurgica Slovaca, 7,200 1 , 297-302 [ 1 31 B raszczyhska K.N. , ZulePnoJ:ci krystalograficzne ksztalt~rjqce procesy

~ydz i e lan i~ iatdmego w ukladach Mg-AI, Micdzynarod. Konf. Odlewnictwa MetaFi Nietelaznych, Lucieir, 6-8.06.2002,47-52

[ I 41 Braszczyliska K.N ., The microstructure of n Mg- 1 Owt%A! alloys, Zeitschrift fur Metallkunde, 93, 8,2002,845-850

MICROSTRUCTURE OF CASTING AZ91 ALLOY MANUFACTURED BY USE HOT CHAMBER HIGH PRESSURE DIE CASTING MACHINE

SUMMARY

Microstructurnl characterization of high pressure die cast magnesium alloy A291 was presented. The alloy have been poured in a 250 t hot chamber high pressure die cast machine. The microstructure of casting was effective refinement (about 10 timcs) compared with sand casting. The a-Mg and intermetaIlic y-phase were observed.