18/9 Archives of Foundry,
Year 2003, Volume 3, № 9 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2003, Rocznik 3, Nr 9 PAN – Katowice PL ISSN 1642-5308
WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA MIKROSTRUKTURĘ
SILUMINÓW
R. GOROCKIEW ICZ1
Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego
65-546 Zielona Góra, ul. Szafrana 4.
STRESZCZENIE
Badano wpływ obróbki cieplnej siluminów na podatność krzemu eutektycznego do
koalescencji i zaokrąglania się. Badania potwierdziły, że procesy koalescencji i
zaokrąglania krzemu eutektycznego zachodzą łatwiej i szybciej, gdy cząsteczki krzemu
eutektycznego w stanie przed obróbką cieplną są bardziej zdyspergowane.
Key words: the structure, the heat-treatment, the silumin
1. WPROWADZENIE
Umocnienie roztworu i morfologia faz międzymetalicznych, to jedne z
podstawowych cech mikrostruktury stopów aluminium, decydujących o własnościach
mechanicznych. Stopień umocnienia roztworu i wiążąca się z nim utrata
plastyczności są zależne od rodzaju i ilości składników stopowych wprowadzonych do
stopu [1].
W pracy [2] wykazano, że odporność na pękanie eutektycznego stopu Al.-Si jest ściśle
powiązana z rozmiarem i morfologią cząsteczek krzemu. Stwierdzono przy tym, że
włóknista morfologia krzemu i jego rozdrobnienie, uzyskane przez modyfikowanie
ciekłego metalu strontem, podwyższa odporność na pękanie stopu. Własności
wytrzymałościowe większości stopów mogą być poprawiane przez obróbkę cieplną,
której efekt zależy m.in. od składu chemicznego i struktury pierwotnej. W wielu
pracach, m.in. [1, 4, 5] stwierdzono, że podczas wygrzewania przy wyżarzaniu jak i
przesycaniu siluminów, oprócz ujednorodnienia roztworu stałego α zachodzą procesy
koalescencji krzemu eutektycznego. Autor pracy [4] zauważa, że na końcową postać
krzemu ma wpływ jego stan pierwotny.
1 dr inż., [email protected]
134
W prezentowanej pracy przedstawione są wyniki badań nad wpływem obróbki
cieplnej siluminów o różnej postaci eutektyki na podatność krzemu eutektyczn ego do
koalescencji i sferoidyzacji.
2. METODYKA BADAŃ
Badaniom poddano próbki płaskie 55x10x6 mm pobrane z odlewów ciśn ieniowych
oraz próbki 55x10x10 mm wycięte z gąsek, z których te odlewy wykonano. Część
próbek została obrobiona cieplnie. Wygrzewanie próbek przeprowadzono w piecu
muflowym w atmosferze powietrza. Gatunki, skład chemiczny użytych stopów oraz
rodzaj i parametry zastosowanej obróbki cieplnej przedstawione są w tabeli 1.
Tabela 1.Skład chemiczny i stan materiałów użytych w badaniach
Table 1. Chemical composition of materials
Stop Skład chemiczny, % wag Stan *
Si Fe Cu Mn Mg Zn Al
Stop AlSi9
9,31 0,59 0,27 0,30 0,30 0,12 89,10 A C
Stop AlSi12
11,87 0,30 0,10 0,10 0,02 0,05 87,60 A C
Stop AlSi9Cu2Fe
9,02 0,83 2,27 0,21 0,48 0,93 85,97 A C D
* A – bez obróbki cieplnej, C - wyżarzanie (wygrzewanie w 510 oC przez 12 godzin i chłodzenie z piecem),
D – utwardzanie wydzieleniowe (wygrzewanie w 510 oC przez 12 godzin i chłodzenie w gorącej wodzie +
starzenie w 170 oC przez 6 godzin z chłodzeniem w powietrzu)
Obserwację mikrostruktury materiału próbek przeprowadzono na mikroskopie
optycznym NEOPHOT 2. Zgłady trawiono odczynnikiem o składzie: 0,5 ml HF + 99,5
ml H2O. Dodatkowo na każdej próbce wykonano pomiary twardości, wykonując po trzy
odciski, z których wyznaczono wartość średnią. Pomiar twardości wykonano metodą
Brinella w oparciu o normę PN-91/H-04350. Wyniki obserwacji mikrostruktury i
twardości przedstawione są na rys.1 – 6.
3. WYNIKI BADAŃ
Mikrostrukturę stopów użytych do odlewania ciśnieniowego w stanie bez
obróbki cieplnej (rys.1a. 2a, 3a) tworzą wydzielenia krzemu eutektycznego w postaci
smukłych płytek na tle roztworu stałego (stop AlSi9) lub iglastej eutektyki (+Si) –
stop AlSi12 - z widocznymi owalnymi komórkami pierwotnej fazy . Mikrostrukturę
stopu AlSi9Cu2Fe w stanie bez obróbki cieplnej (rys.3a) stanowi drobnoziarnista
eutektyka (+Si) i dendryty fazy . W mikrostrukturze materiału próbek pobranych z
odlewów ciśnieniowych w porównaniu do mikrostruktury stanu wyjściowego widać
wyraźnie większy udział komórek roztworu pierwotnego oraz większą dyspersję
eutektyki – rys.:4a, 5a i 6a. W stopie AlSi9 widoczne są również w kształcie
sześcianów, drobne kryształy pierwotnego krzemu. Mikrostrukturę stopów AlSi9 i
135
AlSi9Cu2Fe zarówno w stanie wyjściowym, jak i odlanych ciśnieniowo uzupełniają
iglaste i w kształcie przypominającym chińskie litery wydzielenia faz bogatych w
żelazo [1, 3, 6].
a) b)
Rys. 1. Mikrostruktura stopu AlSi9: a) bez obróbki cieplnej – twardość 55HB,
b) po wyżarzaniu C – twardość 45HB Fig. 1. The microstructure of alloy AlSi9: a) without the heat-treatment, b) after annealing C
a) b)
Rys. 2. Mikrostruktura stopu AlSi12: a) bez obróbki cieplnej – twardość 49HB ,
b) po wyżarzaniu C – twardość 39HB
Fig. 2. The microstructure of alloy AlSi12: a) without the heat-treatment, b) after annealing C
136
a) b)
c)
Rys. 3. Mikrostruktura stopu AlSi9Cu2Fe: a) bez obróbki cieplnej – twardość 112HB , b) po
wyżarzaniu C – twardość 71HB , c) po utwardzaniu wydzieleniowym – twardość 130HB Fig. 3. The microstructure of alloy AlSi9Cu2Fe: a) without the heat-treatment, b) after annealing
C, c) after hardening age
Ponadto w stopie AlSi9 widoczna jest faza Mg2Si, a w stopie AlSi9Cu2Fe – faza
Al.2Cu. Fazy te, podobnie jak cząsteczki krzemu wykazują większą dyspersję po
odlewaniu ciśnieniowym.
Zastosowana obróbka cieplna próbek spowodowała zmianę głównie morfologii krzemu
eutektycznego – rys. 3b, 4b, 5b i 5c. Szczególnie w mikrostrukturze próbek pobranych z
odlewów ciśnieniowych widać, jak wysmukłe i krótkie igły krzemu w wyniku obróbki
cieplnej przekształciły się w drobne, globularne i bardziej równomiernie rozłożone
wydzielenia. Długie igły krzemu, jak to ma miejsce w stopie AlSi12 uległy częściowej
fragmentacji, a zaokrągleniu głównie na narożach.
137
a) b)
Rys. 4. Mikrostruktura stopu AlSi9 – odlew ciśnieniowy: a) bez obróbki ciep lnej – twardość
72HB; b) po wyżarzaniu C – twardość 45HB
Fig. 4. The microstructure of alloy AlSi9 - the die casting : a) without the heat-treatment, b) after annealing C
a) b)
Rys. 5. Mikrostruktura stopu AlSi12 – odlew ciśnieniowy: a) bez obróbki cieplnej – twardość
65HB; b) po wyżarzaniu C - twardość 30HB.
Fig. 5. The microstructure of alloy AlSi12 – the die casting : a) without the heat-treatment, b) after annealing C
138
a) b)
c)
Rys. 6. Mikrostruktura stopu AlSi9Cu2Fe –
odlew ciśnieniowy: a) bez obróbki cieplnej – twardość 69 HB; b) po
wyżarzaniu C -twardość 34 HB; c) po
utwardzaniu wydzieleniowym –
twardość 42 HB
Fig. 6. The microstructure of alloy AlSi9Cu2Fe - the die casting : a) without the heat-
treatment, b) after annealing C, c) after
hardening age
Wolne chłodzenie po wygrzewaniu sprzyja pogrubianiu się cząsteczek krzemu –
rys.1b ÷ 6b, natomiast szybkie chłodzenie zapewnia ich większą dyspersję (rys.3c i 6c
oraz 3b i 6b). Wyżarzanie i utwardzanie wydzieleniowe stopów nie zmieniło morfologii
faz bogatych w żelazo. Iglasta faza bogata w żelazo jest powodem obniżenia
wytrzymałości [4] i zwiększenia kruchości odlewniczych stopów Al.-Si [3].
Zaobserwowane zmiany w mikrostrukturze stopów obrobionych cieplnie ma swoje
odbicie w zmianach twardości – rys.1 - 6. Wyżarzanie spowodowało obniżenie
twardości, ale równocześnie jak to wykazano w pracy [5] spowodowało znaczny wzrost
udarności, tym większy im intensywniej zaszły procesy związane z koalescencją i
zaokrąglaniem cząsteczek krzemu.
4. PODSUMOWANIE
W wyniku przeprowadzonych badań na stopach AlSi9, AlSi9Cu2Fe i AlSi12
stwierdzono, że postać eutektyki ma istotny wpływ na podatność krzemu eutektycznego
do koalescencji i zaokrąglania podczas obróbki cieplnej. Wysmukłe i krótkie igły
krzemu w wyniku obróbki cieplnej przekształcają się w drobne, globularne i bardziej
równomiernie rozłożone wtrącenia. Długie igły krzemu ulegają częściowej
fragmentacji, a zaokrągleniu głównie na narożach. Wynika z tego, że zjawiska
139
koalescencji i zaokrąglania krzemu eutektycznego zachodzą łatwiej i szybciej, gdy
cząsteczki krzemu eutektycznego w stanie przed obróbką cieplną są bardziej
zdyspergowane. Na postać krzemu istotnie wpływa szybkość chłodzenia po
wygrzewaniu. Wolne chłodzenie, np. z piecem sprzyja pogrubianiu, natomiast szybkie
chłodzenie, np. w wodzie z późniejszym starzeniem zwiększa dyspersję cząsteczek
krzemu. Z dokonanych obserwacji mikrostruktury wynika również, że wyżarzanie i
utwardzanie wydzieleniowe stopów nie zmienia w istotny sposób morfologii faz
bogatych w żelazo.
LITERATURA
[1] Poniewierski Z.: Krystalizacja, struktura i właściwości siluminów, WNT,
Warszawa 1989.
[2] Hafiz M.F., Kobayashi T.: Fracture toughness of eutectic Al-Si casting alloy
with different microstructural features, Journals of materiale science, 1996, s.
6195-6200.
[3] Mondolfo L.F.: Aluminium Alloys, Structure and Properties, Butter Worths-
London-Boston 1976.
[4] Pietrowski St.: Siluminy, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2001.
[5] Gorockieiwcz R.: Wpływ twardości i mikrostruktury stopów aluminium na
udarność, Archiwum Odlewnictwa, vol 3, nr 8, 2003, s. 279 – 286.
[6] Gorockiewicz R.: prace własne nie publikowane.
THE INFLUENCE OF THE HEAT-TREATMENT ON THE
MICROSTRUCTURE OF THE SILUMIN
SUMMARY
The influence of the heat-treatment of silumins on the susceptibility of the eutectic - Si
to coalescence and sheroidise has been examined. Research confirmed that processes of
coalescence and spheroidise of the eutectic - Si happen more easily and more quickly,
when particles of the silicon before a heat-treatment are more dispercity.
Recenzował Prof. Zbigniew Górny
Top Related