ANALÝZA VLIVU MIKROSTRUKTURY ODLITKŮ ZE SILUMINU NA ODOLNOST PROTI POŠKOZENÍ Abstrakt ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF SILUMINE CASTINGS MICROSTRUCTURE ON FAILURE RESISTANCE Miroslava Machková Roman Růžek VZLÚ, a.s., Beranových 130,199 05 Praha - Letňany,ČR, e-mail: machkova@vzlu.cz, ruzek@vzlu.cz Příspěvek se zabývá souvislostí mezi strukturou odlitků ze slitiny AlSi9Cu3 a jejich mechanickou odolností. V návaznosti na rázové a únavové zkoušky odlitků ze slitiny AlSi9Cu3, které byly realizovány v různých stádiích vývoje nové součásti, byla provedena metalografická analýza mikrostruktury vzorků z těchto odlitků. Cílem analýzy bylo najít příčiny snížení odolnosti proti mechanickému poškození u některých typů odlitků. Byla sledována makro i mikro pórovitost na řezech a výbrusech, metalografické struktury, přítomnost a rozložení jednotlivých fází, byla provedena mikroanalýza jejich složení. Všechny vzorky vykazovaly póry a dutiny. Rozložení těchto poruch bylo natolik rozdílné i v jednotlivých blízkých řezech a výbrusech ze stejného odlitku, že se nepodařilo najít významnou korelaci. Na základě provedené metalografické analýzy lze konstatovat, že struktura mechanicky odolnějších odlitků je hrubší s většími plochami α-fáze hliníku, dále se ve struktuře odolnějších odlitků vyskytuje železo pouze ve formě drobnějších hranatých až hvězdicovitých částic vždy společně s manganem. Ve struktuře méně odolných odlitků lze pozorovat větší hvězdicové částice intermetalické fáze Al 15 (MnFe) 3 Si 2, ale především se zde vyskytují ostré, tvrdé a křehké jehlice železité fáze Al 5 FeSi, které svým vrubovým účinkem výrazně mechanické vlastnosti součásti zhoršují. Vznik těchto částic souvisí s podmínkami při tuhnutí taveniny, především s rychlostí ochlazování. The contribution deals with the relationship between the casting structure of AlSi9Cu3 alloy and its mechanical resistance. Following impact and fatigue tests on AlSi9Cu3 alloy castings, which were conducted in different development stages of a new component, a metallographic analysis of casting microstructure was performed. The objective was to reveal causes of reduced resistance to mechanical damage in some castings. Macro- and micro-porosity on the sections and samples of metallographic structure, presence and distribution of particular phases were followed, and micro-analysis of their composition was carried out. All of the samples showed pores and cavities. The distribution of these flaws was so much different, even in near sections of the same casting, that no significant correlation has been found. Based on the metallographic analysis conducted, one may say that the structure of mechanically more resistant castings is coarser with larger alpha-phase aluminum surfaces and features ferrum only in form of tiny square- or star-shaped particles always accompanied by manganese. The structure of less resistant castings features larger stellar-shaped particles of Al 15 (MnFe) 3 Si 2 intermetallic phase, and more importantly, it has sharp, hard and brittle needles of Al 5 FeSi ferrous phase, 1
which dramatically deteriorate mechanical properties due to their notch effect. The creation of these particles is connected with solidification conditions of the melt, particularly with cooling rate. 1. FORMULACE ÚLOHY V rámci vývoje vysoce mechanicky namáhané součásti, vyrobené odléváním ze siluminu, byly postupně pro jednotlivé verze odlitku prováděny pevnostní (rázové) a u některých verzí i únavové zkoušky. Přitom v některých fázích vývoje došlo paradoxně po zesílení kritických oblastí součásti ke snížení pevnosti. Na základě těchto výsledků bylo zřejmé, že pevnostní charakteristiky odlitku musí významně ovlivňovat technologické faktory výroby, především pak rychlost chladnutí v kritických místech, odvod plynů v průběhu chladnutí odlitků a tlakové poměry při lití. Tyto faktory se promítají do struktury a mikrostruktury materiálu a ta potom ovlivňuje mechanické a únavové vlastnosti. Proto bylo cílem presentované práce na základě analýzy pórovitosti, mikrostruktury a identifikace jednotlivých fází najít souvislosti mezi mikrostrukturou a mechanickými vlastnostmi odlitku. 2. TĚLESA A MATERIÁL Metalografický rozbor byl proveden na celkem šesti kusech odlitků. Jednotlivé kusy (tělesa) byly označeny číslicemi 1, 2, 3a, 3b, 3c a 4 tak, že číslo 1 odpovídá původní verzi odlitků, číslo 2 odpovídá verzi s konstrukční úpravou (zvětšením průřezu, a zároveň zhoršením mechanické odolnosti) a původnímu technologickému postupu lití, 3a, 3b, 3c reprezentují verze s konstrukční úpravou (mírné zmenšení průřezu) a různými technologiemi lití (a, b, c), číslo 4 reprezentuje konečnou verzi výrobku s nejlepšími mechanickými vlastnostmi. Odlitky jsou vyrobeny z podeutektického nemodifikovaného siluminu EN AC-6000 (EN AC-Al Si9Cu3(Fe), ČSN 42 4339), který přibližně odpovídá materiálu definovanému americkou normou AA 380.0, jehož chemické složení je uvedeno v Tabulce 1. Jedná se o v současné době velmi používaný materiál na odlitky, který se uplatňuje zejména v automobilovém průmyslu. Mechanické a únavové vlastnosti výrobků z tohoto materiálu jsou závislé nejen na průměrném složení prvků daném typem slitiny, ale i na rozložení vlastností v makro i mikrostruktuře, což lze popsat těmito faktory: a) pórovitost dutiny, staženiny a póry, b) typ, velikost, množství a tvar intermetalických částic, c)strukturní parametry (velikost dendritických buněk, morfologie a množství eutektické složky). Tabulka 1. Typické chemické složení slitiny typu Al Si9Cu3 U slitiny typu AlSi9Cu3 lze podle literatury [1], [2], [3], [4] pozorovat jehlice eutektického křemíku s typickým větvením, částice obsahující železo a mangan tvaru hvězdic a čínského písma, částice obsahující měď a samostatné ostré jehlice železa. 2
3. EXPERIMENT Z odlitků byly odděleny přesnou pilou výřezy, pro tělesa 1, 2 a 4 po dvou výřezech, pro tělesa 3a, 3b a 3c po jednom výřezu. Tyto výřezy byly prohlédnuty makroskopicky i mikroskopicky na přítomnost pórů, dutin a staženin, bylo provedeno srovnání a fotodokumentace. Dále byly z řezů zhotoveny metalografické vzorky po dvou až pěti vzorcích (výbrusech) z každého tělesa. Na těchto vzorcích byly opět pozorovány, měřeny a dokumentovány póry a dutiny. Následně byly struktury a fáze porovnávány pomocí optického mikroskopu Olympus GX51 při různých zvětšeních až do zvětšení 1000x, někdy s naleptáním 0,5%HF, nebo využitím Nomarského zobrazení. Další vzorky, po jednom z těles 1, 2 a 4 byly zhotoveny v rámci semináře Nové směry v metalografii na VUT FSI v Brně. Mikroanalýzu dvou vzorků provedla na elektronovém mikroskopu Philips v ÚMVI FSI VUT v Brně Ing. Janová z v rámci stejného semináře. Na základě této analýzy byla v poslední části této práce srovnávána struktura vzorků z těles 1- první verze odlitků, 2- nejméně mechanicky odolná a 4- výsledná mechanicky nejodolnější verze. 4. VÝSLEDKY A DISKUSE 4.1 Pórovitost Pórovitost byla nejprve sledována na všech řezech odlitků. Obr. 1. ukazuje makrosnímky řezů z tělesa 2 s nejnižší mechanickou odolností a plochy řezů tělesa 4 - nejodolnějšího. Na obrázku Obr. 2. jsou zdokumentovány největší dutiny na výbrusech stejných těles. Dutiny byly měřeny na vzorcích před broušením i po několikerém přebrušování. Obr. 1. Nahoře snímky dvou řezů z tělesa 2, vlevo s dutinou o největším rozměru 5mm, dole snímky dvou řezů z tělesa 4 3
Obr. 2. Nahoře: dutiny na výbrusu z tělesa 2. Uprostřed: mělká dutina a její pootočené pokračování na výbrusu z tělesa 4 celková délka těchto navazujících dutin 5mm. Dole: vlevo řediny v tělese 3a, vpravo dutiny a póry v tělese 3c. (Vše zvětšení 50x, neleptáno). U všech vzorků byl zjištěn výskyt pórů a dutin. Byla prokázána existence značné nehomogenity v rozložení bublin, staženin a ředin v objemu materiálu. I ve velice sobě blízkých řezech z jednoho odlitku (vzdálených od sebe 4-8 mm) byla pórovitost zcela odlišná. Největší dutiny dosahovaly velikosti kolem 5mm (viz Obr. 1. vlevo nahoře). Takto velká a hluboká dutina byla zjištěna v jednom z řezů nejméně 4
odolného tělesa 2. V ostatních řezech tohoto tělesa nebyly dutiny větší než u ostatních vzorků. Další v součtu délek největší dutina (Obr. 2. dole) byla zachycena na jednom z výbrusů tělesa 4 - mechanicky nejodolnějšího. Tato dutina je spíše typu staženiny a velmi mělká. Na žádném dalším řezu nebo výbrusu ostatních těles nebyla zaznamenána hluboká bublina, jen menší mělké kombinace bublin a staženin nebo drobné póry a řediny. Z těchto důvodů se nepodařilo najít významnější vzájemnou korelaci mezi největším rozměrem dutiny a pevností. Velkou hlubokou bublinu lze však považovat za rizikovou z hlediska pevnostní odolnosti materiálu. 4.2 Mikrostruktura materiálu Mikrostruktura materiálu odlitků 1, 2 a 4, které byly podrobněji sledovány optickými metodami, se výrazně nelišila. Odolnější materiál z odlitku číslo 4 má celkově trochu hrubší strukturu s většími plochami- dendrity α-fáze hliníku. U této struktury se nevyskytují velké hvězdicové částice, ale pouze drobnější hranaté. Obrázek Obr. 3. ukazuje srovnání mikrostruktur odlitků 1 a 4. Obr. 3. Vlevo struktura odlitku číslo 1 s velkou hvězdicovou částicí, vpravo struktura odlitku číslo 4 s drobnějšími částicemi, původní zvětšení 500x, zobrazení Nomarského 4.3 Mikroanalýza materiálu Mikroanalýza byla provedena na výbrusech z odlitků 1 a 4. Obr. 4. Snímek struktury odlitku číslo1 Obr. 5. Snímek struktury odlitku číslo 4 5
Na obrázcích Obr. 4. a Obr. 5. jsou snímky mikrostruktury z elektronového mikroskopu s označením analyzovaných bodů. Vzorek z tělesa 1 (Obr. 4.): Ve velké hvězdicovité částici (místo 1) byl prokázán obsah železa, manganu a menšího množství chrómu. I když určení procentního složení z bodové analýzy má svá omezení, lze tyto částice považovat za v literatuře uváděnou křehkou a tvrdou intermetalickou fázi Al 15 (MnFe) 3 Si 2. Obsah železa a manganu byl prokázán i v drobnější hranaté částici - místo 6 a částici - místo 7. Částice 3 a svítivé okraje kolem částice 1 (místo 2) a část jehlice 4 vykazují velké procento mědi se stopami hořčíku a niklu. Obdobně místo 8. Jehlice 5 obsahuje železo s velmi malým procentem manganu, což odpovídá velmi tvrdé, křehké fázi Al 5 FeSi, která i svým tvarem působí velmi nepříznivě. Podobné složení bylo zaznamenáno v místě 9. Drobný svítivý bod 10 obsahuje velké procento olova. Špatně viditelná jehlice 11 obsahuje vysoké procento křemíku, jedná se o jehlici eutektického křemíku. Vzorek z tělesa 4 (Obr. 5.): Mikroanalýza ukázala, že hranaté, přibližně šestiúhelníkové částice obsahují kromě hliníku a křemíku železo, mangan a chróm. V jehlicích (místo 3) a souvisejících ploškách (místo 2) byl prokázán vysoký obsah křemíku. 4.4 Výskyt intermetalických fází Porovnání výskytu intermetalických fází bylo provedeno na základě předcházející mikroanalýzy, porovnáním snímků z optického mikroskopu při zvětšení 1000x. Na Obr. 6. až Obr. 8. je zobrazen výskyt jednotlivých částic obsažených v mikrostruktuře těles. Na obrázcích Obr. 6. a Obr. 8., u kterých byl použit jiný postup výbrusu než u vzorků z ostatních obrázků, lze pozorovat částice obsahující železo, nebo železo a mangan jako plasticky vystouplé (na rozdíl od Obr. 7., kde jednotlivé částice jsou detekovatelné, ale nejsou plasticky vystouplé), měď se vyznačuje dírkováním, eutektický křemík se odlišuje jen barvou v rovině výbrusu. V jednotlivých obrázcích jsou označeny: Částice A - intermetalická fáze Al 15 (MnFe) 3 Si 2. Jehlice a plošky B - eutektický křemík. Částice C - přítomnost mědi. Jehlice D - jehlice železa fáze Al 5 FeSi. Na základě porovnání výskytu a morfologie fází u vzorku vyrobených z odlitku 1, který reprezentuje výchozí stav, vzorku 2, u kterého došlo ke zhoršení lomové odolnosti a vzorku 4, který vykázal vlastnosti nejlepší, můžeme konstatovat tyto závěry: V odolnějších strukturách se vyskytují pouze menší hranaté částice s obsahem železa a manganu. V odolnějších strukturách se nevyskytují jehlice železa fáze Al 5 FeSi. 6
Obr. 6. Fáze na výbrusu z tělesa 1. (Zvětšení 1000x, Nomarského zobrazení) Obr. 7. Fáze na výbrusu z tělesa 2. (Zvětšení 1000x, Nomarského zobrazení, leptáno 0,5 % HF) Obr. 8. Fáze na výbrusu z tělesa 4. (Zvětšení 1000x, Nomarského zobrazení) 7
5. ZÁVĚR Mikrostruktura mechanicky odolnějších odlitků je hrubší s většími plochami α-fáze hliníku. Ve struktuře mechanicky odolnějších odlitků se vyskytuje železo pouze v drobnějších částicích vždy společně s manganem. Nevyskytují se zde ostré, tvrdé a křehké jehlice železité fáze Al 5 FeSi, které svým vrubovým účinkem výrazně mechanické vlastnosti součásti zhoršují. Výskyt těchto částic je pravděpodobně hlavní příčinou snížení mechanických vlastností odlitku. Další příčinou snížení pevnostních charakteristik odlitku může být výskyt dutin. Jako rizikové lze charakterizovat velké hluboké bubliny, mělké staženiny zřejmě odolnost neovlivňují. Poděkování Tento projekt byl realizován za finanční podpory ze státních prostředků prostřednictvím Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy, projekt Výzkumné záměry MSM 0001066903 LITERATURA [1] Michna Š. a kol.: Encyklopedie hliníku, Adin Prešov, (2005) [2] Panušková, M., Tillová, E., Činčara, M.: Vplyv rozpúšťacieho žíhania na mechanické vlastnosti zliatiny AlSi9Cu3, ALUMINIUM 2007, Transaction of the Universities of Košice 2007, Str. 160-165. [3] Tillová E., Chalupová M.: Štúdium morfologie eutektického kremíka, v zliatinách Al-Si, ALUMINIUM 2007, Transaction of the Universities of Košice, 2007, Str.17-23. [4] Roučka J., Veverka A., Diviš V., Ňuksa P.: Vliv naplynění taveniny a podmínek tuhnutí na strukturu, vznik vnitřních dutina na mechanické vlastnosti siluminu AlSi9Cu3, ALUMINIUM 2007, Transaction of the Universities of Košice, 2007, Str. 90-97. 8