VYSOCEPEVNÉ HLINÍKOVÉ SLITINY SE ZLEPŠENÝMI SLÉVÁRENSKÝMI VLASTNOSTMI Ondřej Ekrt, Dalibor Vojtěch, Jan Šerák, Tomáš Kubatík a Čestmír Barta, Čestmír Barta jun. b a VŠCHT,Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství,technická 5, 166 28 Praha 6, ČR b BBT Material Processing, Doubická 11, 184 00, Praha 8 Abstrakt Předmětem výzkumu je zlepšení slévárenských vlastností vysoce pevných slitin typu AlZnMg resp. AlZnMgCu. Tyto slitiny jsou ceněny pro své vynikající mechanické vlastnosti. Jejich nedostatkem jsou špatné slévárenské vlastnosti, kvůli kterým se většinou zpracovávají tvářením. Tváření je však velmi nákladné a proto je snaha o zlepšení slévárenských vlastností. Slévárenské vlastnosti (zabíhavost, sklon k tvorbě trhlin za tepla) jsou sledovány v závislosti na obsahu přísadových prvků (Ni, Si, Mg) a licích podmínkách. Vycházelo se z předpokladu, že k dosažení vyšších slévárenských vlastností by měla slitina obsahovat velký podíl eutektických fází. V práci jsou porovnány vlastnosti slitin tvořené tuhým roztokem se slitinami obsahující eutektické fáze. Abstract The work deals with the improvement of the casting properties of high-strength aluminium alloys of Al-Zn-Mg resp. Al-Zn-Mg-Cu type, which are usually processed by forming. The effects of the alloying elements (Mg, Ni, Si) and casting conditions were studied. Higher content of eutectic phases has been supposed to cause an improvement of casting properties. The work includes the comparsion of the alloy containing solid solution as the major part of the structure with that containing eutectic. 1. TEORETICKÁ ČÁST 1.1. Vysoce pevné hliníkové slitiny Slitiny hliníku se nazývají vysoce pevnými, pokud jejich pevnost v tahu převyšuje 350 až 400 MPa. Všechny vysoce pevné hliníkové slitiny jsou vytvrditelné. Vysoké hodnoty jejich mechanických vlastností se dosáhne příslušným tepelným zpracováním, které je spojeno s precipitací. Významnou skupinou těchto slitin jsou slitiny typu AlZnMg, AlCuMg a AlZnMgCu u kterých je dosahováno nejvyšších pevnostních vlastností (mez pevnosti v tahu převyšuje 550MPa). Zmiňované materiály nacházejí nejvýznamější spotřebitele v leteckém a automobilovém průmyslu. (1) 1.2. Slévárenské vlastnosti slitin AlZnMgCu Při výrobě odlitků je nutné sledovat slévárenské vlastnosti jako je zabíhavost, náchylnost k tvorbě staženin, sklon ke vzniku trhlin za tepla aj. Tyto slévárenské vlastnosti jsou závislé především na fázovém diagramu soustavy a charakteru krystalizace slitiny. Špatné slévárenské vlastnosti způsobují potíže při výrobě odlitků složitějších tvarů. 1
Slitiny AlZnMgCu mají velmi nízké slévárenské vlastnosti, zejména špatnou zabíhavost a tendenci k tvorbě trhlin za tepla, což je způsobeno širokým intervalem krystalizace, který se v průmyslových podmínkách pohybuje okolo 180K. (2) 1.3. Možnosti zlepšení slévárenských slitin AlZnMgCu Důsledkem zůžení krystalizačního intervalu je zlepšení slévárenských vlastností. Vzhledem k tomu, že teplota nerovnovážného solidu je prakticky konstantní, lze zúžení krystalizačního intervalu dosáhnout pouze snížením teploty likvidu. Jedním ze způsobů jak snížit krystalizační interval je snížit množství legur (Zn, Mg, Cu), což však vede ke zhoršení mechanických vlastností. Podobně je tomu v případě přídavku Si, který vytváří fázi Mg 2 Si a snižuje tak obsah hořčíku v tuhém roztoku. Řešením by mohl být návrh slitiny, která by obsahovala jednak tuhý roztok s maximálním obsahem vytvrzujících legur a dále dostatečný podíl eutektické složky, jejíž výskyt bude spojen s redukcí krystalizačního intervalu. (2) Požadavkům na slévárenské vlastnosti nejlépe vyhovují eutektické fáze Mg 2 Si a NiAl 3. Bylo prokázáno, že fáze Mg 2 Si a NiAl 3 snižují teplotu likvidu a jestliže se objeví ve struktuře současně, vytvářejí kvaziternární eutektikum. V práci (3) byl prokázán pozitivní vliv kvaziternární eutektické reakce spojené se vznikem fází Mg 2 Si a NiAl 3 na slévárenské vlastnosti studovaných slitin. Dochází k zúžení krystalizačního intervalu až o 50K, zvýšení zabíhavosti a snížení praskavosti za tepla v porovnání se slitinou tvořenou převážně tuhým roztokem. Toto dokumentuje obrázek 1, na němž je ukázána plocha likvidu slitiny AlMg6Zn3Cu0,2 v závislosti na obsahu obou eutektikum tvořících fází. 2. CÍL PRÁCE Cílem práce bylo porovnání slévárenských vlastností Obr. 1: Plocha likvidu v závislosti na obsahu obou slitin AlZn7Mg2Cu1 eutektikum tvořících fází Mg 2 Si a NiAl 3 (klasická vysoce pevná slitina), AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 (vysoce pevná slitina se zlepšenými slévárenskými vlastnostmi) a AlSi10 (typická komerční slévárenská slitina). 3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 2
V průběhu práce byla připravena řada slitin o různém chemickém složení u nichž byly sledovány slévárenské vlastnosti. Byla měřena zabíhavost a sklon k tvorbě trhlin za tepla v závislosti na licí teplotě a době výdrže na této teplotě. Dále byla provedena termická analýza a zhotoveny metalografické výbrusy pro porovnání mikrostruktury sledovaných slitin. 3.1. Přehled studovaných slitin a jejich mikrostruktura V experimentální části byly sledovány slévárenské vlastnosti tří slitin, jejichž přehled je zpracován v tabulce I. Tabulka I: přehled studovaných slitin Označení slitiny Složení 1 AlZn7Mg2Cu1 2 AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 3 AlSi10 Obr. 2: Mikrostruktura slitiny AlZn7Mg2Cu1 Obr. 3: Mikrostruktura slitiny AlZn7Mg2Cu1 První slitina obsahovala ve své struktuře převážně tuhý roztok α(al) (světlé oblasti) (obrázek 2). Na hranicích zrn tuhého roztoku jsou vyloučeny nerovnovážné fáze (tmavší oblasti), pravděpodobně MgZn 2. Tato slitina byla porovnávána s kvaziternární eutektickou slitinou AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 (obrázek 3) jejíž chemické složení bylo upraveno tak, aby mikrostruktura obsahovala maximální podíl eutektických fází Mg 2 Si a AlNi 3 a minimální podíl nežádoucích primárních krystalů. V mikrostruktuře slitiny lze rozeznat tmavé oblasti eutektických kolonií fáze Mg 2 Si, světle šedé eutektické fáze AlNi 3 a tuhý roztok α(al). Poslední slitinou, se kterou byly porovnány změřené slévárenské vlastnosti obou předcházejících slitin, byla typická komerční slévárenská slitina AlSi10. 3.2. Příprava slitin 3
Navážka byla připravena z čistých kovů (Al, Zn, Mg) a předslitin (AlSi30, AlNi20, AlCu40) a roztavena v elektrické odporové peci v grafitovém kelímku. Každá slitina obsahovala přídavek 0,01% Be, který zajišťoval ochranu taveniny před oxidací. Po dosažení licí teploty a zvolené časové výdrže byly zhotoveny příslušné odlitky. Licí teploty byly voleny v rozsahu 670-790 0 C a časové výdrže 0, 2 a 4 hodiny. 3.3. Termická analýza Pro zjištění teplot likvidu a nerovnovážného solidu byly pořízeny ochlazovací křivky jednotlivých slitin. Rozdílem těchto teplot byla získána hodnota šíře krystalizačního intervalu. 3.4. Zabíhavost a sklon k tvorbě trhlin za tepla Zabíhavost byla posuzována pomocí paprskové zkoušky zabíhavosti. Byl zhotoven odlitek se šesti paprsky (obrázek 4) s průměrem paprsků 2, 4, 6, 8, 10 a 12 mm. Litinová forma byla pro každý experiment předehřáta kahanem na teplotu 230 0 C. Maximální zaběhnutí je dosaženo při délce paprsku 171 mm. Jelikož při většině taveb došlo k úplnému zaběhnutí posledních dvou paprsků byla zabíhavost hodnocena souhrně jako součet délek prvních čtyř nejtenčích paprsků. V tabulkách jsou hodnoty zabíhavostí uváděny v milimetrech pod označením CDP4. Obr. 4: Odlitek pro hodnocení zabíhavosti Sklon k tvorbě trhlin za tepla byl posuzován vizuálně na odlitku se šesti paprsky různé délky (viz obrázek 5). Rozšířené oblasti na koncích paprsků zabraňují smršťování při tuhnutí a dochází tak k tvorbě trhlin. Hodnotila se přítomnost či nepřítomnost trhlin na jednotlivých paprscích. Čím kratší paprsek při zkoušce praskl, tím větší sklon k tvorbě trhlin za tepla slitina vykazovala. Obr. 5: Odlitek pro hodnocení sklonu k tvorbě trhlin za tepla 4. NAMĚŘENÉ HODNOTY A DISKUZE 4
4.1. Termická analýza U všech slitin byla prováděna termická analýza, která stanovila závislost T = f(t) a dt/dt = f(t). U slitin byly porovnány teploty likvidu a nerovnovážného solidu. Rozdílem těchto teplot byla získána hodnota šíře krystalizačního intervalu. Tabulka II uvádí zjištěné teploty likvidu, nerovnovážného solidu a krystalizačního intervalu pro jednotlivé studované slitiny. Tabulka II: teploty likvidu, solidu a krystalizační interval studovaných slitin slitina teplota likvidu [ 0 C] teplota solidu [ 0 C] krystalizační interval [K] AlZn7Mg2Cu1 615 461 154 AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 586 472 114 AlSi10 590 577 13 Z tabulky je patrné, že nejširší krystalizační interval (154K) má slitina AlZn7Mg2Cu1. Jelikož šířka krystalizačního intervalu úzce souvisí se slévárenskými vlastnostmi, dostáváme vysvětlení špatných slévárenských vlastností vysoce pevných hliníkových slitin AlZnMgCu, jejichž struktura je tvořena převážně tuhým roztokem. V případě slitiny AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 došlo k výraznému zúžení krystalizačního intervalu (114K) v důsledku přítomnosti eutektických fází Mg 2 Si a NiAl 3 v její mikrostruktuře. Tento fakt se příznivě odrazil ve sledovaných slévárenských vlastnostech. Úzký interval krystalizace (13K) slitiny AlSi10 potvrzuje zařazení této slitiny mezi slitiny slévárenské a předurčuje její výborné slévárenské vlastnosti. 4.2. Zabíhavost U všech studovaných slitin byly provedeny zkoušky zabíhavosti. Na obrázcích 6-8 jsou vyneseny závislosti CDP4 jednotlivých slitin na různých licích teplotách a časových výdržích na těchto teplotách. 5
CDP4 [mm] 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 670 C 700 C 730 C 760 C 790 C 0 0 2 4 časová výdrž [h] Obr. 6: Závislost CDP4 u slitiny AlZn7Mg2Cu1 na časové výdrži na licích teplotách CDP4 [mm] 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 2 4 časová výdrž [h] 670 C 700 C 730 C 760 C 790 C Obr. 7: Závislost CDP4 u slitiny AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 na časové výdrži na licích teplotách 6
CDP4 [mm] 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 670 C 700 C 730 C 760 C 790 C 0 0 2 4 časová výdrž [h] Obr. 8: Závislost CDP4 u slitiny AlSi10 na časové výdrži na licích teplotách Ze všech obrázků je patrné, že zabíhavost vzrůstá s teplotou lití a není příliš závislá na době výdrže. Porovnáním obrázků 6 až 8 lze slitiny seřadit podle pásů, jejichž krajní hranice tvoří křivka pro nejnižší licí teplotu (spodní hranice) a křivka pro nejvyšší licí teplotu (horní hranice). Slitina AlZn7Mg2Cu1 má relativně široký pás hodnot zabíhavostí a je mírně posunut směrem k nižším hodnotám v porovnání se slitinami AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 a AlSi10. Tato slitina má ze studovaných slitin nejširší krystalizační interval (154K), což vysvětluje její horší slévárenské vlastnosti. Slitiny AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 a AlSi10 mají výsledky zkoušek zabíhavostí srovnatelné. Pásy zabíhavostí jsou užší než je tomu v případě slitiny AlZn7Mg2Cu1 a jsou mírně posunuty k vyšším hodnotám. Lepší slévárenské vlastnosti lze přisoudit užším intervalům krystalizace obou slitin (viz tabulka II). 4.3. Sklon k tvorbě trhlin za tepla Na obrázku 9 je porovnání studovaných slitin z hlediska sklonu k tvorbě trhlin za tepla (praskavosti). Výška sloupce představuje četnost počtu prasklých paprsků v rámci všech provedených experimentů. Slitina AlZn7Mg2Cu1 vykazovala nejvyšší tendenci k tvorbě trhlin za tepla. Ve většině experimentů prasklo všech šest paprsků. Stejně jako v případě zabíhavosti, lze i tyto neuspokojivé výsledky přisoudit širokému krystalizačnímu intervalu. Slitina AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 vykazovala výrazně nižší tendenci tvořit trhliny za tepla. U většiny experimentů praskly maximálně 2 nejdelší paprsky. Z tohoto hlediska lze slitinu AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 srovnávat se slitinou AlSi10, která patří mezi typické zástupce slévárenských slitin. Toto zlepšení lze opět vysvětlit zúžením krystalizačního intervalu které souvisí s kvalitou slévárenských vlastností. 7
6 AlZn7Mg2Cu1 5 praskavost 4 3 2 AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 AlSi10 1 0 typ slitiny Obr. 9: Závislost tendence k tvorbě trhlin za tepla na typu slitiny 5. ZÁVĚR Práce se zabývala slévárenskými vlastnostmi vysoce pevných hliníkových slitin typu AlZnMgCu. Jedním z významných faktorů ovlivňujících slévárenské vlastnosti je šířka krystalizačního intervalu. Ta se u tradiční vysoce pevné slitiny (AlZn7Mg2Cu1) pohybovala od 150-160K. Byla připravena slitina (AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3), která ve své struktuře 8
obsahuje eutektické fáze Mg 2 Si a AlNi 3. Obsah těchto fází snížil šířku krystalizačního intervalu na 114K, což se projevilo ve zlepšení slévárenských vlastností. Zabíhavost a sklon k tvorbě trhlin za tepla jsou u slitiny AlZn7Mg7Cu1Ni2,5Si3 srovnatelné s typickou komerční slévárenskou slitinou AlSi10. Poděkování: Prezentované výsledky byly získány při řešení grantových projektů GAČR č. 106/01/0469 a MSM 223100002. 5. SEZNAM LITERATURY 1. D. Vojtěch a kol., Kovové konstrukční materiály, Vydavatelství VŠCHT Praha 1999 2. P. Janda, dipl. práce, Slévárenské vlastnosti vysocepevných hliníkových slitin AlZnMgCuNiSi, VŠCHT Praha UKMKI 2001 3. Tagiev E., Holeček S., Influence of NiAl 3 and Mg 2 Si phases on the structure and casting properties of AlZnMgCu alloys, Aluminium, 4, 1996, s. 246-251 9