LEGOVANIE ZLIATINY AlSi7MgTi LÍTIOMmetal2014.tanger.cz/files/proceedings/metal_01/papers/100.pdf01026 ŽILINA, e: mail : [email protected] RESUME Zliatina AlSi7MgTi patrí

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 1 -

LEGOVANIE ZLIATINY AlSi7MgTi LÍTIOMRESEARCH OF INFLUENCE OF LITIUM ADDITION ON AlSi7MgTI

Ing. Bolibruchová Dana – prof. Ing. Bechný Lubomír, CSc.Žilinská univerzita, Strojnícka fakulta, katedra technologického inžinierstva, Veľký diel01026 ŽILINA, e: mail : [email protected]

RESUME

Zliatina AlSi7MgTi patrí k progresívnym hliníkovým materiálom. Má výbornúodolnosť voči korózii, dosahuje vysoké hodnoty medze pevnosti v ťahu. Je vhodná natenkostenné i komplikované odliatky automobilového a leteckého priemyslu a všade tam, kdevýznamnú úlohu v konštrukcii odliatkov zohráva pomer medzi mechanickými vlastnosťami ahmotnosťou. Prídavok lítia do hliníkových zliatin spôsobuje najvyššiu redukciu hmotnosti zovšetkých obecne pridávaných legujúcich prísad. Problémom zostáva metalurgicko-technologické zvládnutie legovania lítiom pri zachovaní vynikajúcich mechanickýchvlastností zliatiny AlSi7MgTi a zníženie hmotnosti.

Práca sa zaoberá legovaním zliatiny AlSi7MgTi lítiom a vplyvom legovania navybrané mechanické vlastnosti.

AlSi7MgTi alloy belongs to a progressive Al material. It has an excellent resistance tocorossion and reackes a high value of tensile strength. This alloy is suitable for hin-section,complicated castings of automobil and air industry and every where we require a highmchanical properties and low weight.

Addition of Li in Al alloys causes the highest reduction of all in general used additionagent. The work deal whit AlSi7MgTi alloy doped by Li.

1 ÚVOD

Zliatina AlSi7MgTi je progresívnym, veľmi kvalitným hliníkovým materiálom.Dosahuje vysoké hodnoty medze pevnosti v ťahu / okolo 300 MPa/, má dobrú odolnosť vočikorózii, je vhodná na tenkostenné odliatky. Používa sa hlavne v automobilovom a leteckompriemysle, kde veľmi významnú úlohu v konštrukcii výrobkov (odliatkov) zohráva pomermedzi mechanickými vlastnosťami a hmotnosťou.

Prídavok lítia (ako legúry) do hliníkových zliatin spôsobuje najvyššiu redukciu jejmernej hmotnosti zo všetkých obecne pridávaných legujúcich prísad. Použitie lítia jesprevádzané problémami ,ktoré spôsobuje extrémna citlivosť na oxidáciu .Snaha je dosiahnuťvysoko pevnú hliníkovú zliatinu s pevnosťou nad 260 MPa, tvrdosťou HB nad 80 HB aťažnosťou A5 nad 8 %, s nižšou hmotnosťou (hustotou).

2 EXPERIMENTÁLNA ČASŤ

2.1 Skúšobný materiál Na uskutočnenie experimentov bola použitá zliatina AlSi7MgTi. Chemické

zloženie je uvedené v tab.1

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 2 -

Tab.1 Chemické zloženie zliatiny AlSi7MgTiPrvok Si Mg Ti Cu Mh Ni

(%) 6,9 0,29 0,123 0,001 0,05 0,004Prvok Fe Zn Sr Ca P Na

(%) 0,11 0,001 0,05 0,002 0,0001 0,000

2.2 Experimentálne tavby Tavenie prebiehalo v elektrickej odporovej pece T 15V riadenej PID regulátoromCAL 3200. Jednotlivé tavby sa od seba odlišovali prítomnosťou a množstvom legujúcehoprvku ( od 0 % do 0,5 %). Ako legujúci prvok sa použilo lítium s čistotou 99,5% (obsah sprievodných prvkov :Ca - 0,05 %, Fe – 0,02 %, K – 0,01 %, Na – 0,42 %). Odlievalo sa do kovovej formy,ktorá bola ohriata na teplotu 50 až 300 0C v ochrannej atmosfére argónu (fy AGA druh 5.0o čistote 99,999 %), pričom legúra sa pridávala do taveniny tzv. zvonom. Rafinovalo sarafinačnou soľou AlCuAB6 firmy Schäffer, ktorá bola do taveniny pridávaná v množstve1kg /1 t zliatiny (podľa doporučenia výrobcu).

Teplotný režim :- teplota legovania 730 ± 5 0 C,- teplota liatia 740 ± 50 C,- doba výdrže pri legovaní a rafinovaní 3 min.

Tab.2 Množstvo prísad jednotlivých taviebČíslotavby

Hmotnosťvsádzky

(kg)

Legovanielítium(%)

1 4,3 -2 4,6 0,13 4,5 0,24 4,3 0,35 4,4 0,46 2,0 0,5

%- hmotnostné percento lítia z hmotnosti vsádzky Z každej tavby bolo odliatych 6 vzoriek.

2.3 Vyhodnotenie mechanických skúšokVzorky pre stanovenie základných mechanických vlastností ( R m ,A5 a HB) a pre

hodnotenie štruktúry boli zhotovené trieskovým obrábaním a tepelne spracovanévytvrdením za tepla (rozpúšťacie žíhanie pri 535° ± 50 C, výdrž 8 hod, rýchle ochladeniedo 65°C teplej vody, umelé starnutie pri 170°C, výdrž 6 hodín, voľné chladnutie navzduchu).

Použité skúšobné metódy: 1. statická skúška ťahom 2. skúška tvrdosti

Pre statickú skúšku ťahom (STN 42 0339) a skúšku tvrdosti podľa Brinella (STN42 0371) bolo vyrobené po 6 vzoriek a stanovené hodnoty Rm, A5 a HB. Hodnotyzaznamenané v tab.3 sú aritmetickými priemermi z nameraných hodnôt pre jednotlivétavby. Grafické závislosti medze pevnosti v ťahu, ťažnosti a tvrdosti od množstvalegujúceho prvku sú znázornené na obr. 1 a 2.

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 3 -

Tab.3 Výsledky mechanických skúšok a tvrdostiČíslotavby

Rm(MPa)

A5(%)

Tvrdosť5/250/15

(HB)1 214,8 12,63 66,06

2 282,4 5,41 87,52

3 302.2 3,237 89,90

4 295,4 2,645 95,52

5 273,1 2,978 90,10

6 216,9 3,03 76,48

a) b) Obr.1 Závislosť medze pevnosti v ťahu (a) a ťažnosti (b) od množstva legujúcich priísad (lítia)

Obr.2 Závislosť tvrdosti podľa Brinella od množstva legujúcich prísad (lítia)

2.4 Metalografické hodnotenieMikroštruktúra vzoriek bola hodnotená podľa STN 420491 na fotografiách získaných

zo svetelného mikroskopu NEOPHOT 32. Vzorky boli pripravované ručným brúsením zamokra brúsnymi papiermi 200, 400 a 600, leštením diamantovou pastou a leptaním 0,5 %kyselinou flourovodíkovou. Zväčšenie snímok je 100 x.

200

220

240

260

280

300

320

1 2 3 4 5 6

číslo tavby

Rm (M

Pa)

0

2

4

6

8

10

12

14

1 2 3 4 5 6

číslo tavby

A5 (%

)

60

6570

75

80

8590

95

100

1 2 3 4 5 6

číslo tavby

Tvrd

osť

HB

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 4 -

Obr.3 Mikroštruktúra zliatiny AlSi7MgTi nelegovaná (vz.č.1)

a) b)

c)

Obr. 4 Mikroštruktúra zliatiny AlSi7MgTi legovaná a) 0,2 % Li (vz.č.3) b) 0,3 % Li (vz.č.4) c) 0,5 % Li (vz.č.6)

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 5 -

2.5 Fraktografické hodnotenieK fraktografickému hodnoteniu lomových plôch boli použité vzorky z ťahovej skúšky.

Pozorovanie sa uskutočnilo pomocou riadkovacieho elektrónového mikroskopu TESLA BS343 s využitím obrazového analyzátora TESCAN.

a) b)

Obr. 5 Charakter lomovej plochy zliatiny AlSi7MgTi a) nelegovaná

b) legovaná 0,3 % Li

2.6 Zhrnutie a diskusia výsledkovPri skúmaní vplyvu lítia ako legujúceho prvku na vybrané mechanické vlastnosti

zliatiny AlSi7MgTi sa vykonalo šesť tavieb ( s množstvom od 0,0 do 0,5 %lítia). Pridanímlítia do taveniny vznikla prudká exotermická reakcia, pri ktorej sa uvoľnilo veľkémnožstvo tepla, ktoré spôsobilo var. Najpravdepodobnejšou príčinou varu sú rozdielnezákladné chemické vlastnosti čistého lítia a hliníkovej zliatiny (hlavne teplota tavenia asilná oxidačná schopnosť lítia na vzduchu) Táto skutočnosť vyvolala vysokú pórovitosťvzoriek, dôsledkom ktorej sa nedosiahli očakávané mechanické vlastnosti.

Ak však porovnáme hodnoty mechanických vlastností legovaných vzoriek medzisebou môžeme dôjsť k záveru, že so stúpajúcim množstvom lítia sa medza pevnosti v ťahua tvrdosť rastú, napriek značnej pórovitosti vo vzorkách ( oproti nelegovanej vzorke), aleťažnosť prudko klesá.

Medza pevnosti v ťahu vzrástla cca o 45 % pri vzorke nelegovanej a legovanej0,3 % Li. Tvrdosť vzrástla cca o cca 40 % pri vzorke legovanej 0,4 % Li oprotinelegovanej.

Žiaľ hodnoty ťažnosti sú po legovaní veľmi nízke a materiál stráca pôvodnépoužitie na odliatky automobilového priemyslu.

Mikroštruktúra nelegovanej zliatiny je dokumentovaná na obr.3. Štruktúra jetvorená dendritmi alfa fázy a tyčinkami eutektického kremíka, ktoré v rovinemetalografického výbrusu pozorujeme ako oblé zrná. Výskyt oblých zŕn eutektickéhokremíka je pre neupravovanú zliatinu (očkovaním, modifikovaním, legovaním) netypický.Je spôsobený prítomnosťou titanu a stroncia v základnom materiáli, v dôsledku čoho

METAL 2001 15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic

- 6 -

dochádza k morfologickej zmene eutektického kremíka z doštičky (typická očkovaná anemodifikovaná zliatina) na tyčinku ( po modifikovaní).

Mikroštruktúra zliatiny AlSi7MgTi legovanej odstupňovaným množstvom lítiaje dokumentovaná na obr. 4 a až c. V štruktúrach pozorujeme veľmi jemné dendrity alfafázy a zhrubnuté zrná eutektického kremíka. S rastúcim obsahom lítia v tavenine dochádzak zjemňovaniu dendritov alfa fázy ( čo má za následok rast medze pevnosti v ťahu atvrdosti a pokles ťažnosti v sledovaných vzorkách) a môžeme konštatovať, že lítiumv sledovanej zliatine má očkujúci účinok.. S rastúcim obsahom lítia narastá vo vzorkáchpórovitosť, čo dokumentujú i predkladané štruktúry.

Lomová plocha nelegovanej zliatiny AlSi7MgTi je znázornená na obr. 5 a. Jecharakteristická transkryštalickým tvárnym a štiepnym porušením. Prídavok lítia dotaveniny mal za následok zjemnenie štruktúry (obr. 4 a až c), lomová plocha ( obr.5) jecharakteristická transkryštalickým tvárnym porušením s jamkovou morfológiou s plastickypretvorenými hrebeňmi.

3 ZÁVER

Pri skúmaní vplyvu lítia na zliatinu AlSi7MgTi sa dospelo k nasledovným záverom:

- vo všetkých skúmaných tavbách prídavok lítia zvýšil medzu pevnosti v ťahu ,- ťažnosť poklesla oproti nelegovanej zliatine vo všetkých skúmaných prípadoch (najviac

takmer o 80 % v tavbe s prídavkom 0,3% Li),- tvrdosť podľa Brinella vzrástla oproti nelegovanej zliatine. Najvyšší nárast tvrdosti sme- dosiahli pri tavbe s prídavkom 0,4 % Li, takmer o 45 % oproti nelegovanej zliatine.

Z metalografického a fraktografického hodnotenia je možné konštatovať, že zvýšenie %množstva lítia má za následok zjemnenie dendritov alfa fázy, to znamená že lítium máv uvedenej zliatine očkujúci účinok.

LITERATÚRA

[ 1 ] BECHNÝ, L.: Výskum zákonitostí tuhnutia liatych materiálov pre odliatky zvýšenej presnosti, [Grantová výskumná úloha], október 1998, ŽU v Žiline, Strojnícka fakulta, Katedra technologického inžinierstva[ 2 ] GRÍGEROVÁ, T-KOŘENÝ, R. -LUKÁČ, I.: Zlievarenstvo neželezných kovov, ALFA,Bratislava, 1988[ 3 ] LUKÁČ,I.-MICHNA,Š: Atlas struktur a vad u hliníku a jeho slitin,1999[ 4 ] TILLOVÁ,E.-CHALUPOVÁ,M-BENKO,P: The quantification of eutectic Si mofrfology of modified silumin AlSi10MgMn.In 10th international symposium Metallography 98´, Stará Lesná[ 5 ] TILLOVÁ,E.-KONEČNÁ,R.CHALUPOVÁ,M, : Vplyv modifikovania na morfológiu eutktického kremíka v zliatine Al-Si.In.:medzinárodná konferencia Přínos metalografie při řešení výrobních problémň ,Marianské Lázně, jún 99