MOŽNOSTI ZLEPŠENÍ SLÉVÁRENSKÝCH VLASTNOSTÍ VYSOCE PEVNÝCH SLITIN AlZnMgCu

Transkript

1 MOŽNOSTI ZLEPŠENÍ SLÉVÁRENSKÝCH VLASTNOSTÍ VYSOCE PEVNÝCH SLITIN AlZnMgCu Elšad Tagiev, Dalibor Vojtěch Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství, VŠCHT Praha, Technická 5, Praha 6 Abstrakt V práci jsou nastíněny možnosti zlepšování slévárenských vlastností slitin AlZnMgCu. Hlavní idea spočívá v přídavcích legur, které vedou k tvorbě eutektik, čímž dochází ke zúžení krystalizačního intervalu slitin. S tvorbou eutektika je spojeno zlepšení zabíhavosti a snížení sklonu k tvorbě trhlin za tepla. V prezentované práci jsou diskutovány vlivy přídavků železa, niklu, křemíku a hořčíku. Experimentální práce ukázaly, že perspektivními legurami jsou zejména křemík, hořčík a nikl. 1. Vysocepevné slitiny AlZnMgCu Slitiny na bázi Al-Zn-Mg-Cu patří mezi vysoce pevné hliníkové slitiny, které se vyznačují špatnými slévárenskými vlastnostmi, mají špatnou zabíhavost a výraznou tendenci k tvorbě trhlin za tepla. Velmi široké intervaly krystalizace těchto slitin vedou ke značným problémům při výrobě odlitků složitých tvarů. Struktura slitin v litém stavu je tvořena zejména primárními dendrity tuhého roztoku α, po jejichž hranicích se vyskytuje degenerované nerovnovážné eutektikum, viz. obr.1. V případě, že ve slitině je koncentrace Zn více než cca dvakrát vyšší než Mg, v degenerovaném eutektiku se vyskytuje intermetalická fáze MgZn 2. Při menším poměru pak vzniká fáze Mg 3 Zn 3 Al 2 [1]. V kvazibinárním stavovém diagramu Al-MgZn 2 je eutektická teplota 470 C a Obr. 1. Degenerované nerovnovážné eutektikum ve v diagramu Al-Mg 3 Zn 3 Al 2 slitinách AlZnMgCu. 489 C [2]. Pro ilustraci jsme provedli termickou analýzu slitiny AlZn7Mg2: Zjištěná teplota likvidu této slitiny, kdy začínají krystalovat primární dendrity, byla 642 C. Teplota nerovnovážného solidu, kdy krystalizace končí ztuhnutím nerovnovážného eutektika, byla 471 C. Teplotní interval krystalizace této slitiny je tedy velmi široký 170 C což předurčuje její velmi špatnou slévatelnost. 2.Možnosti zlepšení slévárenských vlastností

2 Pokud bychom chtěli snížit šířku krystalizačního intervalu, je možno buď zvýšit teplotu nerovnovážného solidu nebo snížit teplotu likvidu. Teplotu nerovnovážného solidu je možno zvýšit omezením krystalizace uvedených typů nerovnovážných eutektik. Bylo však zjištěno [3], že např. ve slitině AlZn6Mg2Cu2 vzniká nerovnovážné eutektikum již při velmi nízké ochlazovací rychlosti 5 C/min. Jeho výskyt byl pozorován ve velmi širokém rozmezí ochlazovacích rychlostí od 5 až do více než 200 C/min. Jedinou možností by tedy bylo snížení koncentrací Zn a Mg. Tato cesta by však zároveň vedla k výraznému zhoršení mechanických vlastností slitin ve vytvrzeném stavu, což je nepřijatelné. Pro zlepšení slévatelnosti slitin se nám tedy nabízí spíše druhá možnost. Její praktické provedení spočívá v přídavcích vhodných prvků, které tvoří intermetalické fáze (IF) eutektického původu. Tvorba eutektika α + IF bude doprovázena snížením teploty likvidu slitiny, a tudíž lze očekávat zlepšení slévárenských vlastností. Tuhý roztok α je možno legovat dostatečným množstvím Zn, Mg popř. i Cu tak, aby zůstal zachován potenciál precipitačního vytvrzení. Tvorba eutektických fází by neměla způsobovat výrazné zhoršení plasticity, což předpokládá jistou modifikaci postupu tepelného zpracování slitin, jak bude uvedeno v kap Provedené experimenty 3.1. Popis sledovaných slitin Pro zlepšení slévárenských vlastností jsme vybrali prvky, které jsou relativně dostupné, a u nichž předpokládáme tvorbu dostatečně disperzních eutektických fází. Sledovali jsme vliv přídavků železa, křemíku, hořčíku a niklu. Vzájemnými kombinacemi uvedených legur lze předpokládat tvorbu následujících eutektických fází: Mg 2 Si, NiAl 3, FeAl 3, FeNiAl 9 a Fe 2 SiAl 8. Dále jsme pro porovnání vybrali dvě složení základního tuhého roztoku α: 1. AlZn3Mg6 a 2. AlZn6Mg1,5Cu1. Tato složení charakterizují potenciál slitiny pro precipitační vytvrzení. Složení slitin, jejichž vlastnosti byly sledovány, ukazují tab. 1 a 2. Tato složení nebyla vybrána náhodně, nýbrž byla výsledkem rozsáhlé sady experimentů zaměřených na vyhledání kvazieutektických bodů α + IF. Tab.1: Směrná chemická složení slitin obsahujících tuhý roztok AlZn3Mg6 (údaje v hm.%). slitina Zn Cu Mg Si Fe Ni ,5-3

3 Tab.2: Směrná chemická složení slitin obsahujících tuhý roztok AlZn6Mg1,5Cu1 (údaje v hm.%). slitina Zn Cu Mg Si Fe Ni , ,5-1, ,5 0,5 1, ,5-1,3 1, , , Vyhodnocení slévárenských vlastností slitin U všech připravených slitin byla provedena termická analýza za účelem zjištění teplotního intervalu krystalizace T [ C]. Pro zjištění zabíhavosti tavenin jsme odlili paprskovité odlitky, u nichž mírou zabíhavosti byl součet délek všech paprsků Σl [mm]. Pro vyhodnocení náchylnosti slitiny k tvorbě trhlin za tepla byl využit jiný typ paprskovitého odlitku, který se, na rozdíl od předchozího, vyznačoval různou délkou paprsků. Za měřítko náchylnosti slitiny k tvorbě trhlin za tepla byla zvolena délka nejdelšího paprsku odlitku, který byl bez trhlin HCI [mm]. Licí teplota byla u všech zkoušek 720±5 C a teplota ocelových zkušebních forem 280±5 C Tepelné zpracování slitin Slitiny s tuhým roztokem složení AlZn6Mg1,5Cu1 byly tepelně zpracovány a byla u nich provedena tahová zkouška pro zjištění meze pevnosti v tahu a tažnosti. Tepelné zpracování sestávalo za tří kroků: Nejprve bylo provedeno homogenizační žíhání při teplotě 460 C po dobu 7 hodin, během kterého došlo k rozpuštění nerovnovážného degenerovaného eutektika, viz.obr.1. Následovalo globularizační žíhání (510 C, 12 hodin), jehož cílem bylo dosáhnout požadované globulární morfologie částic eutektických intermetalických fází. Bez tohoto kroku by vytvrzené slitiny byly extrémně křehké. Posledním krokem tepelného zpracování bylo opět homogenizační žíhání při teplotě 460 C, nyní již pouze po dobu 1 hodiny, následované rychlým ochlazením do vody a dvoustupňovým umělým stárnutím (120 C, 6 hodin a 160 C, 3 hodiny). Dvoustupňové umělé stárnutí je doporučováno pro snížení náchylnosti slitin k mezikrystalové korozi [4]. 4. Výsledky experimentů 4.1. Slévárenské vlastnosti slitin Parametry slévatelnosti Σl [mm], HCI [mm] a teplotní šířky krystalizačních intervalů T [ C] pro deset slitin uvedených v tab. 1 a 2 jsou uvedeny v tab.3. Tab.3: Hodnoty zabíhavosti Σl [mm], ukazatele náchylnosti k tvorbě trhlin za tepla HCI [mm] a teplotní šířky krystalizačních intervalů T [ C] sledovaných výchozích a kvazieutektických slitin.

4 slitina T [ C] Σl [mm] HCI [mm] Z tab.3 plyne, že všechny kvazieutektické slitiny ( a ) mají užší teplotní intervaly krystalizace než slitiny tvořené tuhým roztokem α s odpovídajícím složením. Obdobný závěr platí i pro parametr zabíhavosti. U slitin s tuhým roztokem AlZn3Mg6 je tvorba všech typů eutektik doprovázena snížením náchylnosti k tvorbě trhlin za tepla. U slitin s tuhým roztokem AlZn6Mg1,5Cu1 je tento rozdíl pozorovatelný pouze u dvou kvazibinárních eutektických slitin, a to u slitiny 2.5. (kvazibinární eutektikum α (AlZn6Mg1,5Cu1) + NiAl 3 ) a u slitiny 2.6. (kvazibinární eutektikum α (AlZn6Mg1,5Cu1) + Mg 2 Si). U slitin 2.2., 2.3. a 2.4., u nichž dochází k tvorbě eutektik s intermediálními fázemi FeAl 3 (2.2.), Fe 2 SiAl 8 (2.3.) a FeNiAl 9 (2.4.) nebylo snížení tendence k tvorbě trhlin za tepla pozorováno. Porovnáme-li slévárenské parametry všech slitin, jako nejperspektivnější pro odlévání se jeví slitina 1.4., u které dochází k tvorbě kvaziternárního eutektika α (AlZn3Mg6) + NiAl 3 + Mg 2 Si. Na obr.2 je ukázán prostorový stavový diagram, Obr.2. Závislost teploty likvidu na hmotnostním podílu fází NiAl 3 a Mg 2 Si. charakterizující závislost teploty likvidu slitin na hmotnostním podílu fází NiAl 3 a Mg 2 Si s kvaziternárním eutektickým bodem. Na obr.3 je ukázána mikrostruktura kvaziternární eutektické slitiny. Ze skupiny zkoumaných slitin s vyšším obsahem Zn se jako perspektivní pro výrobu odlitků jeví slitina 2.6., což je kvazibinární eutektická slitina α (AlZn6Mg1,5Cu1) + Mg 2 Si.

5 Obr.3. Mikrostruktura kvaziternární eutektické slitiny α (AlZn3Mg6) + NiAl3 + Mg2Si 4.2. Mechanické vlastnosti slitin Mechanické vlastnosti po tepelném zpracování byly sledovány pouze u slitin s vyšším obsahem Zn, výsledky ukazuje tab.4. Porovnáme-li tyto hodnoty, je zřejmé, že nejlepších mechanických vlastností dosahuje slitina 2.5., tj. kvazibinární eutektická slitina α (AlZn6Mg1,5Cu1) + NiAl3. Kvazibinární eutektická slitina 2.6. s fází Mg2Si se vyznačuje nižší pevností a zejména velmi nízkou tažností. Kritickou operací z tohoto hlediska je globularizační žíhání. V případě eutektik na bázi různých intermediálních fází bude nutno tuto operaci modifikovat pro každou fázi zvlášť tak, aby výsledná kombinace mechanických vlastností byla srovnatelná s klasickými slitinami AlZnMgCu. Tab.4: Mechanické vlastnosti slitin ve stavu po tepelném zpracování. slitina Rm [MPa] A [%] Závěr V prezentované práci je dokumentován pozitivní vliv eutektikum tvořících fází NiAl3 a Mg2Si na slévárenské vlastnosti vysocepevných slitin na bázi AlZnMgCu. Z hlediska slévárenských vlastností se ze spektra sledovaných slitin jako nejperspektivnější ukazuje slitina, u níž dochází ke kvaziternární eutektické reakci: tavenina α (AlZn3Mg6) + NiAl3 + Mg2Si. Tato reakce má za následek výrazné zúžení intervalu krystalizace, zvýšení zabíhavosti i snížení sklonu slitiny k tvorbě trhlin za tepla. Lze očekávat, že i v případě slitin s vyššími obsahy Zn bude možno této reakce využít. Důležitým závěrem našeho výzkumu je také to, že vhodným postupem tepelného zpracování lze u kvazieutektických slitin dosáhnout mechanických vlastností srovnatelných s klasickými slitinami AlZnMgCu.

6 Literatura [1] Mondolfo L. F.: Struktura i svojstva aljuminijevych splavov, Metallurgija Moskva, (1979), rusky. [2] Kolobnev I. F.: Termičeskaja obrabotka aljuminijevych splavov, Moskva, (1961), rusky. [3] Zolotorevskij V. S.: Struktura i pročnost litych aljuminijevych splavov, Metallurgija Moskva, (1981), rusky. [4] Chetč D. E.: Aljuminij svojstva i fizičeskoje metallovedenije, Metallurgija Moskva, (1989), rusky.