HODNOCENÍ MIKROSTRUKTURY A VLASTNOSTÍ ODLITKŮ ZE SLITINY AZ91HP EVALUATION OF MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF SAND CAST AZ91HP MAGNESIUM ALLOY Vít Janík a,b, Eva Kalabisová b, Petr Zuna a, Jakub Horník a, Ivo Juřička c a ČVUT v Praze, FS, ÚMI, Karlovo nám. 13, 121 35 Praha 2, ČR E-mail: v.janik@centrum.cz b SVÚOM s.r.o., V Šáreckém údolí 2329, 164 00 Praha 6, ČR c Ferona-Steel Servis Centrum, Slezské předměstí 41, 501 12 Hradec Králové, ČR Abstrakt Mechanické vlastnosti a mikrostruktura hořčíkových slitin jsou ovlivněny způsobem odlévání a následným tepelným zpracováním. Sledovány jsou vzorky odlitků automobilového kola ze slitiny AZ91HP gravitačně lité do písku. Pozornost je věnována stavu po odlití a stavu T4 (po rozpouštěcím žíhání). Hodnocena je mikrostruktura, porosita, mechanické vlastnosti a korozní odolnost. Mechanical properties and microstructure of magnesium alloys are influenced by casting method and consequent heat treatment. Samples from sand castings of automotive wheel from AZ91HP alloy were evaluated. Concerned were the as cast and T4 heat treated stages. The microstructure, porosity, mechanical properties and corrosion resistance were monitored. 1. ÚVOD Rostoucí nasazení hořčíkových slitin v automobilovém průmyslu je motivováno snadno dosažitelnou úsporou celkové hmotnosti automobilu (redukce hmotnosti dílu oproti slitinám hliníku je až o jednu třetinu). Nejpoužívanější litou slitinou hořčíku je varianta AZ91HP, která se díky svému dobrému poměru technologických a pevnostních charakteristik používá především na tvarově složité a pevnostně namáhané součásti jako jsou skříně převodovek, pedály, kola atd. Na korozní odolnost hořčíku a jeho slitin má významný vliv obsah nečistot, které se dostávají do materiálu jak při odlévání, tak i s některými legovacími prvky. Mezi takové nečistoty patří především železo, jehož obsah by měl být udržován pod 0,017%hm. a dále nikl (pod 0,0005%hm.) v případě, že je předpokládán kontakt hořčíkových materiálů s prostředím obsahujícím chloridy. Vlivem přítomnosti hliníku ve slitině je účinek železa ještě dále zhoršován. V takovém případě by měl být obsah železa ve slitině ještě nižší ideálně jen několik tisícin procent. Naopak zinek a mangan poněkud potlačují škodlivý účinek železa.. Korozní napadení bodového charakteru je v roztocích chloridů podporováno také přítomností katodicky fungujících nečistot v povrchu materiálu. Ke koroznímu praskání jsou především náchylné slitiny s hliníkem (do 10%), zinkem (do 3 5 %) a manganem (do 2%). K praskání dochází za napětí, které však nemusí být vyvolané vnějším zatížením dostačuje i zbytkové vnitřní pnutí v materiálu po jeho zpracování. Praskání mívá transkrystalový charakter a souvisí s určitým stupněm strukturní koroze, kdy přednostně korodují krystalová zrna, zatímco hranice zrn jsou elektrochemicky ušlechtilejší a jejich korozní napadení probíhá pomaleji. Obecně je známo, že přítomnost napětí je bez vlivu na celkovou korozi [1, 2] Slitina AZ91HP, jak je všeobecně známo, nevykazuje příliš vysokou korozní odolnost a je citlivá ke koroznímu praskání. 1
Mikrostruktura slitiny (a tím i mechanické vlastnosti, korozní odolnost atd.) je výrazně ovlivňována výrobní technologií a následným tepelným, případně tepelně mechanickým zpracováním. Zvolená technologie lití má silný dopad na mikrostrukturu, a to zejména na výslednou porositu v příčném řezu [3]. Z tohoto pohledu se jeví lití do písku jako nejméně problematické, větší komplikace s mírou porosity nastávají při lití tlakovém nebo přetlakovém [4]. Tepelné a tepelně mechanické zpracování potom ovlivňuje zejména tvar a rozložení sekundární fáze a částečně také velikost zrna. Cílem této práce proto bylo ověřit vztahy mezi způsobem odlévání, tepelným zpracováním a výslednou mikrostrukturou pro konkrétní případ odlitku automobilového kola ze slitiny AZ91HP litého do pískové formy. Pro doplnění údajů o daném typu slitiny pro další použití v praxi byly uskutečněny zkoušky koroze za napětí s cílem zjistit případnou míru zcitlivění slitiny AZ91HP ke koroznímu praskání v prostředí 3,5% NaCl (ph 7,25). Toto prostředí bylo v souladu s literaturou [5] voleno s cílem simulovat prostředí mořské vody či běžného prostředí vozovek v zimních obdobích při zátěži rozmrazovacími solemi na bázi chloridů. 2. MATERIÁL A POUŽITÉ METODY ZKOUŠEK Jako zkušební materiál posloužila konkrétní průmyslově vyráběná součást, a to do písku lité automobilové kolo z komerční slitiny AZ91HP a dále pro ověření mechanických vlastností dané slitiny do písku litá tělíska ve tvaru standardního tělesa na tahovou zkoušku. Dodavatel ČKD Motory a.s., závod Hradec Králové, poskytl zkušební tělesa ve variantě tepelně nezpracované a po následném tepelném zpracování T4 (rozpouštěcí žíhání 420 C / 24hod / voda). Normované chemické složení slitiny je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1. Chemické složení slitiny dle předpisu ASM (hm. %) Table 1. Chemical composition according to ASM standard (weight per cent) Slitina Al [%] Mn [%] Zn [%] Si [%] Cu [%] Ni [%] Fe [%] AZ91HP 8.0-9.5 > 0.17 0.45-0.9% < 0.05 < 0.015 < 0.001 < 0.004 Hodnoty základních mechanických vlastností slitiny AZ91HP ve stavu po rozpouštěcím žíhání T4 byly získány na zkušebních tělesech po odlití obrobených do normalizovaného tvaru, k měření posloužilo zařízení INSTRON 5238. Zkouška koroze za napětí se uskutečnila na zařízení s konstantní velikostí zatížení. Zkušební vzorky měly stejný tvar jako při statické tahové zkoušce. Poměr zatížení k mezi kluzu byl zvolen v rozmezí 0,8-0,9. Zkouška probíhala až do lomu v prostředí 3,5% vodného roztoku NaCl. V průběhu zkoušky docházelo v pravidelných intervalech k měření korozních úbytků a k výměnám korozního prostředí; postupující korozní napadení zkušebního tělíska bylo rovněž fotograficky zaznamenáváno. Hodnocení a dokumentace makrostruktury všech vzorků byla provedena ze snímků získaných digitálním fotoaparátem, korozní produkty byly hodnoceny navíc i na stereomikroskopu Leica S8APO s výstupem na digitální fotoaparát Leica DFC320. Pozorování mikrostruktury všech zkušebních vzorků proběhlo pomocí světelné mikroskopie, využit byl metalografický mikroskop Zeiss Neophot 32 s výstupem na digitální fotoaparát. K dodatečnému vyhodnocení snímků byla aplikována obrazová analýza Leica QWin. Pozorování především přetržených a korozně-mechanicky zatížených vzorků bylo provedeno na řádkovacím elektronovém mikroskopu JEOL JSM 5410. Hodnocení chemického složení materiálu a kvalitativní analýza sekundárních částic se uskutečnily pomocí EDX analyzátoru LINK. 2
3. VÝSLEDKY ZKOUŠEK A JEJICH DISKUSE 3.1. Mikrostruktura a mechanické vlastnosti odlitků Mikrostruktura korozně nezatížených vzorků (odlitek kola tepelně nezpracovaného, zpracovaného T4 a odlitek zkušební tyče na tahovou zkoušku před a po přetržení zpracovaného rovněž T4) byla hodnocena s důrazem na případnou míru porosity ve vytipovaných místech odlitku. Zjištěný charakter mikrostruktury obr.1 ve všech sledovaných stavech zcela odpovídá požadavkům na tento typ slitiny. Zrna tuhého roztoku jsou rovnoměrná, s nízkým podílem eutektika obsahujícího fázi β (Al 12 Mg 17 ), která je vyloučena v lamelární podobě po hranicích zrn. Pozorovány byly rovněž částice typu Al 3 (Fe, Mn). Chemické složení slitiny zjištěné metodou EDX dokumentuje obr. 2 a kvalitativní analýzu částice typu Al 3 (Fe, Mn) pak obr. 3 stanovené hodnoty koncentrací chemických prvků Al, Zn, Mn odpovídají dané slitině. Zjišťována byla i velikost zrna a objemový podíl eutektika. Velikost zrna byla stanovena metodami srovnávací, Ministrovou, počítání zrn a obrazovou analýzou LEICA. Určena byla průměrná hodnota velikosti zrna d m = 62 µm. Zjištěná velikost je v dobré shodě s údaji uváděnými v literatuře pro daný způsob odlévání a dané tepelné zpracování [1]. Podíl eutektika pak činí 3 %. Obr. 1. Mikrostruktura odlitku (T4); a) světelná, b) řádkovací elektronová mikroskopie Fig. 1. Microstructure of casting (T4); a) optical, b) scanning electron microscopy Obr. 2. Analýza EDX odlitku (T4) Fig. 2. EDX analysis of casting (T4) Zvýšenou míru porosity ve vztahu ke zvolené výrobní technologii (lití do pískové formy) se ve vytipovaných kritických místech odlitku nepodařilo prokázat. Zvýšená porosita nebyla 3
zjištěna ani u vzorků tyčí na tahovou zkoušku. Z těchto pozorování je možné usoudit, že zvolená výrobní metoda nezpůsobí výraznější porositu a tím ani nedojde ke snížení jakosti odlitku. Struktura odlitku bez následného tepelného zpracování je dokumentována na obr. 4. Ze srovnání obr. 3 a 4 je patrný příznivý vliv rozpouštěcího žíhání T4, při kterém je eliminováno množství křehké fáze β vyloučené po hranicích zrn. V litém stavu se vyskytuje značný podíl této fáze v primární i sekundární podobě (lamelární). Obr. 3. Částice Al 3 (Fe, Mn) a kvalitativní analýza EDX Fig. 3. Al 3 (Fe, Mn) particle and quantitative EDX analysis Obr. 4. Mikrostruktura odlitku tepelně nezpracovaného; a) světelná, b) řádkovací elektronová mikroskopie Fig. 4. Microstructure of casting without heat treatment; a) optical, b) scanning electron microscopy Některé vybrané mechanické vlastnosti slitiny byly hodnoceny tahovou zkouškou dle ČSN EN 10002-1 na zařízení INSTRON 5238. Výsledky tahové zkoušky slitiny AZ91HP T4 (rozpouštěcí žíhání) jsou zaznamenány v tabulce 2 a na obr. 5. Naměřené hodnoty ukazují na dobrou kvalitu odlitku zkušebních tyčí. Hodnota meze kluzu je vyšší než minimální hodnota v předpisu. Fraktografický rozbor lomové plochy nevykazuje zvýšenou přítomnost ředin, pórů a vměstků obr. 6. Lom je smíšený, převážně transkrystalický tvárný s podílem interkrystalického porušení v oblastech výskytu fáze β. 4
Obr. 5. Záznam tahové zkoušky Obr 6. Fraktografie lomové plochy Fig. 5. Tensile test report Fig. 6. Fracture area of specimen Tabulka 2. Mechanické vlastnosti slitiny AZ91HP Table 2. Mechanical properties of alloy AZ91HP Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%] Z [%] N E [MPa] Předpis 90 275 15 - - 45500 Vz. 1 119 279 14 9,3 0,5063 45700 Vz. 2 139 270 15 9,0 0,4853 44680 3.2. Korozní chování slitiny AZ91HP Korozní napadení zkušebního tělesa vystaveného působení roztoku 3,5% NaCl pod napětím v poměru 0,8-0,9 k mezi kluzu je zachyceno na obr. 7. Makroskopický charakter a morfologie korozního napadení neprokázaly, že by došlo ve výraznější míře k iniciaci a následnému rozvoji korozních trhlin. Vzhled korozního napadení spíše nasvědčuje převládajícímu mechanismu bodové koroze. K lomu vzorku č. 1 (poměr namáhání 0,8 k mezi kluzu) došlo po expozici v délce 380 hodin; k lomu vzorku č. 2 (poměr namáhání 0,9 k mezi kluzu) došlo po expozici v délce 312 hodin. Obr 7. Korozní napadení s postupující délkou expozice (vzorek 1) Fig 7. Corrosion attack with progressive time exposition (sample 1) 5
a) b) Obr 8. Morfologie korozních produktu na povrchu vzorku a) stereomikroskopie, b) řádkovací elektronová mikroskopie Fig 8. Morphology of corrosion products on the surface of samples a) stereomicroscopy, b) scanning electron microscopy Na povrchu vzorků exponovaných pod napětím v 3,5% vodném roztoku NaCl jsou znatelné korozní důlky o různé hloubce.toto bodové napadení se vyskytuje ve všech místech průřezu a bylo zjištěno všemi použitými metodami pozorování: stereomikroskopií obr. 8a, světelnou i řádkovací elektronovou mikroskopií obr. 8b. Na povrchu exponovaných vzorků se vyskytuje oxidický film, který je složen převážně z korozních produktů typu Mg(OH) 2. Detailní studium lomové plochy obou vzorků po přetržení na řádkovacím elektronovém mikroskopu potvrdilo předchozí podezření, že k lomu nedošlo vlivem šíření korozních trhlin. Při porušení se naopak uplatnil jiný mechanismus lokalizované koroze, konkrétně bodová koroze. Lom nastal v důsledku přetížení v místě, kde byl průřez zkušebního tělesa nejvíce oslaben korozními důlky (body). Tomu odpovídají i snímky lomové plochy. Korozní produkty jsou velice dobře patrné na lomových plochách přetržených těles těsně u povrchu, za oxidickým filmem následuje smíšený transkrystalický lom (obr. 9), který je Obr 9. Lomová plocha exponovaného vzorku Fig 9. Fracture area of exposed sample velmi podobný tomu, jaký byl zjištěn u tahové zkoušky zkušebních těles bez korozněmechanického namáhání. Pozorování exponovaných vzorků pomocí světelné mikroskopie v příčném a podélném řezu rovněž neprokázalo přítomnost trhlin, které vznikají při korozním praskání. Tímto experimentem se proto nepodařilo prokázat zcitlivění slitiny AZ91HP ke koroznímu praskání ve 3,5% vodném roztoku NaCl, i když z literatury [3], [5] je známo, že daný typ slitiny v podobných typech prostředí zcitlivění ke koroznímu praskání podléhá. Bude proto nutné v budoucnu upravit experimentální zařízení, mírně modifikovat zkušební vzorky a v plánu je také rozšíření zkoušky o nové typy hořčíkových slitin na bázi Zn-RE. 6
4. ZÁVĚRY Dosažené výsledky ukazují, že: Mikrostruktura a mechanické vlastnosti všech sledovaných stavů odpovídají požadavkům. Zvýšená míra porosity ve vytipovaných kritických místech odlitku nebyla prokázána. Expozicí vzorků slitiny AZ91HP ve 3,5% vodném roztoku NaCl pod napětím nedošlo k výskytu trhlin charakteristických pro korozní praskání. Z pozorování exponovaných vzorků v příčném a podélném řezu vyplývá, že převládajícím mechanismem korozního napadení byl mechanismus bodové koroze. Několikanásobně vyšší obsah železa ve zkoumaných vzorcích slitiny AZ91HP v porovnání s příslušným předpisem ASM mohl způsobit výrazné zvýšení celkové korozní rychlosti, jejímž vnějším projevem byla rozsáhlá bodová koroze vedoucí k oslabení průřezu a lomu. V dalším studiu hořčíkových slitin bude sledováno korozní chování zejména ve vztahu k obsahu nečistot, tj. železa, niklu a mědi. Tato práce byla podporována projekty MSM 6840770007 a MSM 2579478701. LITERATURA [1] ČERNÝ, M. aj. Korozní vlastnosti kovových konstrukčních materiálů, SNTL Praha, 1984, s. 61-64. [2] POLMEAR, I. J. Light Alloys, 4th edition, Elsevier, United Kingdom, 2006, s. 240-242. [3] AVEDESIAN, M.M., BAKER, H. ASM Specialty Handbook - Magnesium and Magnesium Alloys. 2 nd printing, Materials Park, OH : ASM International, 1999. 314 s. [4] DAHLE, A.K. aj. Formation of defect bands in high pressure die cast magnesium alloys. Journal of Light Metals, 2001, č. 1, s. 99-103. [5] AMBAT, R. aj. Evaluation of microstructural efects on corrosion behaviour of AZ91D magnesium alloy. Corrosion Science, 2000, č. 42, s. 1433-1455. 7