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., r.gorockiewicz@iipm.uz.zgora.pl

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