pierwiastki zwiększające efekt starzenia odlewów ze stopów

Solidification ofMetals and Alloys. No.27, 1996
Metali i Stopów, Nr 27, 1996
PAN -Oddział Katowice
PL ISSN 0208-9386
27/4
Kncpnięcie
PIERWIASTKI ZWIĘKSZAJĄCE EFEKT STARZENIA ODLEWÓW
ZE STOPÓW ALUMINIUM- MIEDŹ
RZADKOSZ Stanisław, ST ASZCZAK Leopold
Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza
30-059 Kraków, ul.Reymonta 23
Wydział
Streszczenie
W celu zwiększenia właściwowści wytrzymałościowych odlewów ze stopów Al - Cu l
5,6 + 6, l % Cu l zastosowano małe dodatki następujących pierwiastków: Sn, Cd, In, Ag, Mg,
Bi i Ti. Wprowadzano je pojedyńczo lub parami (Sn+Cd, Sn+ Ti, Sn+Mg, Cd+Mg). Dodatki
te zwiększyły R.n po utwardzaniu dyspersyjnym. Największy wzrost R.n uzyskano w przypadku
dodatków: Sn+Ti, Sn+Cd a następnie Sn, In i Cd. Mniejszy wzrost R.n uzyskano po
zastosowaniu dodatków Ag, Mg i Ti; stopy z tymi pierwiastkami charakteryzowały się
większym wydłużeniem A, niż stopy z Sn i Cd .
l .Wprowadzenie
Właściwości odlewów ze stopów Al - Cu, w tym także właściwości mechaniczne,
od cech mikrostruktury ukształtowanych w jego ściankach. Na cechy te wpływa skład
chemiczny oraz czynniki związane z wykonaniem odlewów i ich obróbką cieplną (rys. l ).
Odlewy ze stopów AI-Cu bezpośrednio po wyciągnięciu z formy charakteryzują się
niskim poziomem właściwości wytrzymałościowych i dopiero po przesycaniu a następnie
starzeniu uzy skują właściwości zadowalające dla praktyki. Sposób prowadzenia przesycania
i starzenia oraz końcowe efekty tej obróbki cieplnej związane są m.in. z zawartością miedzi w
stopie, obecnością dodatkowych pierwiastków, rodzajem i wielkością zanieczyszczeń (głównie
żelaza i krzemu ), segregacją, dyspersją składników mikrostruktury itp.
Jednym ze sposobów prowadzących do uzyskania wysokich właściwo ści
wytrzymałościowych odlewów z omawianych stopów jest zastosowanie małych dodatków
( mikrododatków ) pierwiastków zwiększających umocnienie roztworu stałego w wyniku
starzenia.
W pracy przedstawiono wyniki porównawczych badań oddziaływania małych
dodatków niektórych pierwiastków na przebieg starzenia i uzyskiwane w jego wyniku
właściwości mechaniczne ( R.n. A5, HV ) odlewanych stopów Al - Cu ; pierwiastki te
wytypowano w oparciu o wcześniejsze badania własne [ 1-4 ].
zależą
22
Czystość
Ukbd (lOd""'jny AI·Cu
i
po:ygotowanic
•
zawartość
materiałów wsado~N>·ch
Cu
Warunki ")'l.lpiania
Rafinacja
Modyii!GK.ja
Metody odlewania
Obróbka cieplna
Rys. l . Czynniki
kształtujące mikrostrukturę
2.Przygotowanie stopów do
badań,
w odlewach ze stopów Al - Cu
warunki eksperymentu
Badania przeprowadzono na stopach Al-Cu zawierających 5,6 -;- 6, l % Cu.
Badano wpływ następujących pierwiastków: Sn (0,09 -;- 0,5 % ), Cd (0, 15 -;- 0,4% ),
Mg (0, l -;- 0,3 % ), Ag (0,3 -;- 0,5 % ), In (0, l -;- O, 15 % ), Ti (0,2 -;- 0,3%) i Bi (0,4%).
Wprowadzano je do ciekłego stopu wyjściowego pojedyńczo lub parami ( Sn + Cd ,
Sn + Ti, Sn + Mg, Cd + Mg) w postaci czystych metali lub odpowiednich zapraw.
Wsad metalowy przy wytapianiu stopu wyjściowego stanowiły : aluminium ARI oraz
zaprawa AICu50 otrzymana z aluminium ARl i miedzi katodowej. Topienie stopu
wyjściowego przeprowadzono w piecu elektrycznym oporowym. Bloczki tego stopu
topiono ponownie w piecu indukcyjnym w tyglu grafitowo- szamotowym. Próbki do
badań w postaci próbek wytyrzymałościowych i wałków cp 25 x 250 mm odlewano w
podgrzanej kokili żeliwnej . Temperatura odlewania była stała i wynosiła 1003 K. Tak
otrzymane odlewy przesycano i następnie starzono stosując parametry ( temperatura,
czas) ustalone na drodze wstępnych prób.Starzenie naturalne prowadzono w czasie do
10000 godz., a starzenie sztuczne do około 400 godz .. Najniższa temperatura starzenia
sztucznego wynosiła 383 K a najwyższa 463 K. Zawartość innych pienviastków w
badanych stopach, poza celowo wprowadzonymi, wynosiła: Fe < 0,07 %, Si < 0,03
% , Mn <0,005 %, Cr < 0,004 o/o, Ni < 0,005 °/o, Zn < 0,04 %, Pb < 0,007 % , B <
0,001%.
Badania właściwości mechanicznych przeprowadzono zgodnie z odpowiednimi
polskimi normami.
3.Wyniki
badań
W tabeli l podano właściwości mechaniczne ( Rm , A5, HV ) uzyskane w
wyniku utwardzania dyspersyjnego stopów do których wprowadzono dodatki cyny,
kadmu, indu, magnezu, tytanu, srebra i bizmutu.Wartości wydłużenia podane w tej
23
próbek o maksymalnej wytrzymałości na rozciąganie . W tabeli l podano
przyrostu R., i HV po utwardzaniu dyspersyjnym w stosunku do stanu
przed obróbką cieplną ( efekt starzenia ).
tabeli
dotyczą
także wielkość
Tabela l
Właściwości mechaniczne po utwardzaniu dyspersyjnym stopów Al-Cu z dodatkami
cyny, kadmu, indu, bizmutu, magnezu, tytanu i srebra.
L. p .
Stop
Dodatki
5,82%Cu
l.
2.
5,90%Cu
+O 11o/oSn
5,65o/oCu
+0,24o/oSn
5,62o/oCu
+0,50%Sn
6, 11o/oCu
+O 15o/oCd
5,82o/oCu
+0,28%Ti
6.10o/oCu
22%Mg
5.85%Cu
+0,12%Sn
5,75o/oCu
+0,4%Bi
5,85%Cu
+0,37%Ag
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Z
danych
zestawionych
Rm
Al
%
4
HV30
MPa
370
128
Efekt obróbki cieplnej
MiV
~
+72
+175
440
1,5
146
.+ 260
+87
420
1,2
142
+260
+ 82
415
<l
146
+264
+ 90
405
3
143
+ 217
+ 86
375
ll
135
+ 182
+77
375
5,5
122
+95
+ 30
415
3,5
145
+ 210
+ 83
365
6
132
+ 169
+ 72
390
5
128
+ 160
+72
w
omawianej
tabeli
wynika,
że
największą
wytrzymałość R", uzyskały stopy z dodatkiem cyny, a następnie indu i kadmu. Stopy z
cyną charakteryzuj ą się jednak mała plastycznością. Należy dodać, że stopy z cyną
wykazywały
w stanie przesyconym wydłużenie wynoszące ok.15 %, co wskazuje na
niska plastyczność po starzeniu związana jest z silnym umocnieniem roztworu
stałego a nie z ewentualnymi wadami przesycania ( nadtopienianu ). Większe
wydłużenie, aczkolwiek jeszcze niezadowalające dla praktyki, wykazały stopy z
kadmem i indem.
Omtrwimry wyżt:j kn~mm:'K. wplrywo t:yny, 'móu ) kat'mm tłm.t:rwuwarry 'uy\
również w stopach zanieczyszczonych żelazem ; ilustrują to na przykładzie cyny
wyniki wcześniejszych badań [4] przytoczone w tabeli 2.
Pierwiastkami po zastosowaniu których uzyskano nieco mniejsze wartośc i Rm,
ale przy większym wydłużeniu A 5, ni ż w przypadku cyny, i.p.du i kadmu były : srebro,
magnez i tytan.
Wpływ niektórych analizowanych pierwiastków na umacnianie się stopów w
czasie starzenia naturalnego i sztucznego pokazano na rysunkach 2, 3 i 4. Z krzywych
przedstawiających ztniany twardości HV w funkcji czasu starzenia wynika, że
pierwiastki: cyna, kadm i ind wpływają na przebieg starzenia w podobny sposób.
to,
iż
24
Wpływ
Tabela 2
cyny na właściwości mechaniczne (R",, A5, HV) utwardzanych dyspersyjnie
stopów AICu(5,5-:- 5,8%Cu) zanieczyszczonych żelazem .
L. p.
Fe,%
Sn,%
R.n
MPa
As
HV30
%
Efekt obróbki cieplnej
t.R,. MPa
MłV
l.
0,09
0, 10
460
2,5
140
+ 250
+ &7
2.
0,25
0,09
435
1,5
145
+234
+ 86
3.
0,60
0,12
400
2,0
133
+200
+ 68
4.
0,75
0,12
370
2,0
130
+ 170
+ 70
Hamują
one procesy starzenia naturalnego ( strefowego ) i przyspieszają procesy
starzenia fazowego w wyższych temperaturach. Wynikiem tego jest znaczne skrócenie
czasu starzenia niezbędnego dla uzyskania maksimum twardości i wytrzymałości ( do
6 - 8 godz.) . Z rysunku 2 wynika ponadto, że dodatki magnezu do stopu Al-Cu
powodują dużą jego skłonność do starzenia naturalnego. Może mieć to wpływ na
przebieg i efekt starzenia sztucznego w przypadku jeśli odlewy będą dłużej
wytrzymywane przed starzeniem sztucznym po zabiegu przesycania. Może to również
wpływać na procesy starzenia w stopach zawierających inne mikrododatki.
Na podstawie wyników badań stopów do których wprowadzono jednocześnie
dwa pierwiastki ( tabela 3 i rysunek 4 ) można stwierdzić, iż w przypadku niektórych
kompozycji, na przykład Sn + Cd i Sn + Ti, wytrzymałość na rozciąganie po
utwardzaniu dyspersyjnym jest większa niż w przypadku stopów z pojedyńczymi
dodatkami cyny, kadmu i tytanu. Zwiększyło się także wydłużenie stopu. Natomiast
w przypadku innych kompozycji, takich jak Cd + Mg i Sn + Mg efekty utwardzania
dyspersyjnego są mniejsze w porównaniu ze stopami zawierającymi pojedyńcze
pierwiastki. Można z tego wnosić iż magnez osłabia umacniający wpływ cyny i
kadmu. Otrzymane wyniki potwierdzają konieczność badania interakcji pierwiastków
w procesach starzenia.
Tabela 3
mechaniczne po utwardzaniu dyspersyjnym stopów AI-Cu z dodatkami
dwóch pierwiastków
HV30
L. p.
Stop
As
R.
Właściwości
l.
2.
3.
4.
5.
Dodatki
5,7o/.Cu + Sn + Ti
O 12%Sn· O 286%Ti
6,2%Cu +Cd+ Mg
O 15%Cd· O 11%Mg
6,2o/.Cu + Cd + Mg
o 15o/.Cd· O 28%Mg
6,1%Cu + Sn +Mg
O 11 %Sn· O 26%Mg
5,8o/.Cu + Sn + Cd
O IO%Sn; O 12%Cd
MPa
465
%
5,5
144
395
2,8
144
370
4,0
140
325
3
124
460
4
148
25
100
l
--
95
90
i
65
~
~
o
i!
~
...
l
!
!
i
eo
!
75
i
70
i
-- -
65
lA
60
SS
50
0.1
~
T
··-
--·-·
100
-
_.......Cd
~
10
....
_.o.§ n
--
1000
10000
Czas starzenia, h
120
i
110
?
\
____ __J' _____ _______!_
100
~
~
!
90
~
80
-'
70
~
/ ,
Mg
l'
o
"E
/
l
V
- ·-----
i
B~
w
~"'~u
i
60
--- l
50
10
0.1
100
1000
10000
Czas starzenia, h
Rys.2 . Zmiany twardości
HV stopów Al-Cu z
pierwiastkami podczas starzenia naturalnego
różnymi
dodatkowymi
4.Analiza wyników i wnioski
Zastosowanie
małych
dodatków niektórych pierwiastków pozwala na znaczne
odlewów ze stopów AI-Cu.
Odpowiednie kompozycie tych pierwiastków
mogą być korzystniejsze od
pojedyńczych dodatków, na przykład kompozycje podwójne: Sn+Ti
i Sn+Cd.
Dowodem na to są także liczne wieloskładnikowe stopy o dużej wytrzymałości (> 450
MPa) opisywane w literaturze technicznej. Są także pierwiastki, które mogą osłabiać
korzystny wpływ innych składników chemicznych stopów. Informacje o wzajemnym
oddziaływaniu pierwiastków mogą być uzyskane na drodze eksperymentalnej.
zwiększenie
właściwości
wytrzymałościowych
26
150
140
130
l
; ~
A l
''
!
120
5:
110
~
o 100
.
~
/
l
;
!
:
:
'E
90
j
ao
1./Jn
,~ .....
l
i
}"V ~
):'f
,/J;J
//,/
70
:-.t'
60
i
50
O,o1
0,1
a)
10
100
1000
100
1000
cz.u IWzenla [h]
150
140
130
120
i;
~
..
110
o
100
~
90
'E
ao
70
60
50
0,01
b)
0,1
10
Czas mrzenia,h
Rys.3. Zmiany twardości HV stopów Al-Cu z różnymi dodatkami podczas
starzenia w temperaturze 393 K
W
przypadku odlewniczych stopów Al-Cu uzyskanie maksymalnych
mechanicznych nie może być jedynym kryterium przydatności
poszczególnych pierwiastków jako składników stopu ,albowiem istotne jest również
ich oddziaływanie na właściwości technologiczne, takie jak lejność czy skłonność do
pęknięć na gorąco . Literatura dostarcza informacji o wpływie pojedyńczych
pierwiastków na te właściwości, brak jest natomiast
danych dotyczących
oddziaływania różnych
złożonych
kompozycji. Podkreśla to konieczność
kompleksowego podejścia do zagadnienia stosowania mikrododatków
w
analizowanych stopach. Pierwiastki stosowane jako modyfikatory stopów Al-Cu (takie
jak na przykład tytan ) mają znaczenie nie tylko w aspekcie zmiany mikrostruktury
pierwotnej w odlewach ,ale także jako pierwiastki zWiększające efekt umocnienia
właściwości
27
roztworu stałego podczas starzenia, zapewniając przy tym dobre właściwości
plastycme stopów.
W technicmych stopach zawierających żelazo pozytywną rolę odgrywać będą
także
pierwiastki, które nie powodują
dużej
poprawy wskaźników
wytrzymałościowych po utwardzaniu dyspersyjnym, ale zmieniając morfologię faz z
żelazem, zwiększają wydłużenie stopów ; pierwiastkami takimi są mangan, chrom i
nikiel[ 3 ].
150
140
130
120
>
::&:
110
~
o
100
t-
90
"2
~
80
70
60
50
0,01
0.1
a)
10
100
1000
Czas stuzenia,h
150
140
130
120
~
110
~
.
~
100
:!:
t-
80
70 .
60
b)
50
0.01
Rys.4. Zmiany
0,1
10
100
1000
Czas Wrzenia, h
twardości
HV stopów Al-Cu z różnymi dodatkami podczas
starzenia w temperaturze 433 K
28
W odniesieniu do wyników badań omawianych w referacie można sformułować
wnioski:
.Cyna stosowana w ilości 0,09 -:- O, l 5 % jest pierwiastkiem najsi lniej
zwiększającym wytrzymałość na rozciąganie stopów Al-Cu po utwardzaniu
dyspersyjnym; jednocześnie zmniejsza ich właściwości plastyczne; silnie wpływają na
podwyższenie R., także dodatki indu i kadmu. Ze względu na właściwości plastyczne
najkorzystniej , w badanej grupie pierwiastków, wpływają tytan, bizmut, srebro i
magnez .
•Cyna, kadm i ind wykazują podobny wpływ na przebieg procesów starzenia;
hamują one starzenie naturalne (strefowe) i przyspieszają starzenie sztuczne
/szczególnie w wyższych temperaturach/ .
•Równoczesne dodatki Ti + Sn i Cd + Sn pozwalają uzyskać wyższy poziom
wytrzymałości na rozciąganie i większe wydłużenie niż pojedyńcze dodatki.
·Magnez stosowany razem z cyną lub kadmem osłabia wpływ obydwu tych
pierwiastków na właściwości mechanicze uzyskiwane po starzeniu.
następujące
LITERATURA
[l] Rzadkosz S., Adamski C. , Wąsik J. - Dyspersyjne utwardzanie wysokowytrzymałościowych stopów na osnowie aluminium. III Sympozium Naukowe
"Przemiany strukturalne w stopach odlewniczych - Teoria i efekty użytkowe".
Rzeszów 1987, s. l15- 120.
[2] Staszczak L., Rzadkosz S., Kucharski M. , Kaczor E., Tyrała E. - Wpływ dodatków
stopowych i warunków krzepnięcia na struktw·ę i właściwości odlewów z
wysokowytrzymałościowych stopów opartych o układ Al-Cu.Praca naukowobadawcza w ramach CPBP 02.09. AGH Wydział Odlewnictwa.Kraków 1988.
[3] Rzadkosz S., Staszczak L., Kucharski M. - Wpływ wybranch pierwiastków na efekt
utwardzania dyspersyjnego stopu A1Cu5 zanieczyszczonego żelazem i krzemem.
IV Sympozium Naukowe "Przemiany strukturalne w stopach odlewniczych Teoria i efekty użytkowe ... Rzeszów 1989, s.230- 238.
[4) Rzadkosz S., Staszczak L., Adamski C. - The effect of some additives on the
mechanical properties o f dispersion-hardened castings made in Al-Cu
alloys.Archives of Metallurgy, 41 , 1996, 2, s.223 -236.
Die den Auslagemeffekt der Gusse aus AI-Cu Legierungen verstarkemden
Elemen te
Urn die Festigkeitn der Gi.isse aus Al-Cu Legierungen zu steigern, setze man
folgencle Zusatzelemente ein: Sn, Cd, In,Ag, Mg, Bi, und Ti. Się wurden separat oder
paarweise eingefi.ihrt (Sn+Cd, Sn+Ti, Sn+Mg, Cd+Mg). Diese Zusatzelemente
vergróBerten Rm nach dem Dispersionsharten. Zu dem schnełlsten Anstieg von Rm
gelang man bei den Zusatzelementen: Sn+Ti, Sn+Cd und danach Sn, In und Cd. Ein
langsamerer Anstieg von Rm wurde bei den Zusatzelementen Ag, Mg und Ti
beobachtet; die Gi.isse mit diesen Elementen waren durch gróBere Dehnung
gekennzeichnet.