KATOWICE

PAN BIELSKO - BIAA CZSTOCHOWA

OPOLE

POLISH ACADEMY OF SCIENCES DEPARTMENT KATOWICE

FOUNDRY COMMISSlON

;

KRZEPNICIE METALI I STOPOW

SOLIDIFICATION OF METALS AND ALLOYS

Przemysaw W asilewski

SILUMINY-MODYFIKACJA I JEJ WPL YW

NA STRUKTUR I WACIWOCI

21 MONOGRAFIA

KATOWICE, BIELSKO- BIAA, CZSTOCHOWA, OPOLE

1993

WSTP

Wrd stosowanych odlewniczych stopw aluminium, naj-

bardziej rozpowszechnione s siluminy, tj. stopy aluminium

z krzemem w rozmaitych konfiguracjach z innymi dodatkami stopo-

wymi. Stopy te s bardzo szeroko stosowane w rnych galziach

przemysu maszynowego, zwaszcza w przemysach: motoryzacyjnym,

gospodarstwa domowego, precyzyjno-optycznym, lotniczym.

Tak szerokie zastosowanie spowodowane jest ich bardzo dobrymi

cechami fizycznymi i technicznymi. Maj one ma gsto, sto-

sunkowo nisk temperatur topnienia, dobre przewodnictwo

cieplne i elektryczne, dobre waciwoci mechaniczne, posiadaj

dobre waciwoci odlewnicze (dobra lejno, may skurcz),

dobr obrabialno i znaczn odporno na korozj. Niektre

z siluminw daj si obrabia cieplnie. Do istotn wad

- z technicznego punktu widzenia - jest ich skonno do two-

rzenia gruboziarnistej struktury, ktra wpywa niekorzystnie na

waciwoci mechaniczne odleww. Dla polepszenia tej struktury

stosuje si od dawna procesy modyfikacji rnymi pierwiastkami.

Modyfikatory te skutecznie poprawiaj struktur i tym samym

podwyszaj waciwoci mechaniczne.

Najstarszym historycznie modyfikatorem jest sd i jego

sole. Sd jest dobrym modyfikatorem, skutecznie uszlachetnia

struktur, jednake dziaanie jego jest krtkotrwale, co jest

istotn jego wad z technologicznego punktu widzenia.

Znacznie pzniej wprowadzono do procesw modyfikacji

dodatki strontu lub antymonu, ktrych dziaanie okazao si

znacznie trwalsze i dlatego nazwano je modyfikatorami trwaymi.

Problematyka modyfikacji siluminw bya i jest szeroko

omawiana w literaturze (13, 16, 28, 34, 39, 45, 50, 51, 53, 54,

56, 57, 59, 61, 65, 68, 69, 70, 72, 76, 78, 79, 81, 84, 85795,

103, 104a, 108, 109, 110, 1187125, 127, 128], jednake brak

jest bada porwnawczych wpywu w.w. modyfikatorw na waciwo

ci poszczeglnych rodzajw stopw.

W tym zakresie w Katedrze Technologii Bezwirowych Filii

Folitechniki dzkiej prowadzono pod kierunkiem autora niniej-

szej pracy obszerne, wieloletnie badania. Badania te zostay

- 7 -

wprowadzone do Centralnego Programu Bada Podstawowych, koordy-

nowanego przez profesora Wacawa Sakw~ z Instytutu Odlewnictwa

Folitechniki lskiej.

Prace z tej ternatyki byy wielokrotnie publikowane w lite-

raturze krajowej i zagranicznej, na kongresach i konferencjach

naukowych [14, 24, 28, 109, 118+123] . Wykonano rwnie~ trzy

prace doktorskie i jedn habilitacyjn [23, 33, 111, 117].

Niniejsze opracowanie jest prb monograficznego przedsta-

wienia - na tle literatury - osigni~ kierowanego przez autora

Zespou i jego wasnych prac, w problematyce modyfikacji

siluminw.

Autor niniejszej pracy skada podzi~kowanie wszystkim,

ktrzy razem z nim wsppracowali przy modyfikacji siluminw

i tym samym przyczynili si~ do powstania tej pracy;

w szczeglnoci dzi~kuje: dr in~. Maksymilianowi Dudykowi,

dr in~. Bogdanowi Fickowi, dr in~. Bogusawowi Suchankowi,

in~. Edwardowi Jarce, in~. Bogusawowi Koconiowi oraz

in~. Andrzejowi Koniorowi.

l. KRYSTALIZACJA STOPW AL-SI

1.1. Podstawowe zasady krystalizacji eutektyki

Stopy aluminium z krzemem nazywane siluminami krzepn

w ukadzie podwjnym tworzc eutektyk zawierajc 12.5% S i

(rys.10). Eutektyka tworzy si z rosncych konkurencyjnie dwch

rnych faz. Zarodkowanie tych faz nie jest do dzisiaj osta-

tecznie wyjanione zwaszcza w pierwszestwie powstawania

zarodkw. Obecnie za najbardziej prawdopodobn Braszczyski

[13] przyjmuje hipotez W.Kurza i P.Sahma [66], ktra okrela

zwizek zarodkowania z entropi topnienia ast . Hipoteza ta o p

mwi, e metal lub stop o duej entropii topnienia moe si

sta faz zarodkujc wobec metalu o malej entropii. Jednake

rozpatrujc gwne fazy w niektrych stopach eutektycznych

(tab.l) oraz zmiany entropii rnych metali podczas krzepnicia

(tab.2) wedug A.Ohno [13, 78] trudno dopatrzy si takiej

zalenoci. Z tablicy 2 mona raczej wnioskowa, e faz

zarodkujc jest przewanie ta, ktra ma wysz temperatur

likwidusu.

Mo na rwnie stwierdzi, e na zarodkowanie ma wpyw

powierzchnia podziau faz - czy jest ona pod wzgldem atomowym

bardziej lub mniej gadka. Mona to wyjani hipotez Turnbulla

[13,16) z pniejszymi badaniami Kurza i Sahma [13,66].

Zakadajc ze faza a jest

(rys.l), wzrost krysztalu

zarodkujca w stosunku do fazy B

B na istniejcym krysztale a w otoczeniu cieczy eutektycznej C winien spenia warunek

Younga:

(l)

gdzie: aaB' acB' aca s napiciami powierzchniowymi na granicach

odpowiednio: fazy a i B, cieczy i fazy B oraz cieczy i fazy a,

8 - kt zwilania. w przeciwnym przypadku to znaczy gdyby faza B bya zarodkujca w stosunku do fazy a suszny byby warunek:

( 2)

- 9 -

Tab.l. Gwne fazy w niektrych stopach eutektycznych [ 78].

Faza o Faza o Ukad Faza wyszej Ukad Faza wyszej

zarodkujca temperat. zarodkujca temperat. likwidu su likwidu su

Ag3Sn-Sn Ag3Sn Ag3sn Bi-Pb2Bi B i B i

Al-Al9co2 Al9co2 Al9co2 Sb-Ag3Sb Sb Sb

Bi-Sn B i B i B i-Cd B i Cd

Pb-Sb Sb Sb Pb-Sn S n Pb

Cd-Zn Z n Z n Fe-C c c

Cd-Pb Cd Pb Al-Si S i S i

Sn-Zn Z n Z n Aq-Cu C u C u

Al-Zn Al Al Sn-Tl S n S n

Al-Sn Al Al

Tab.2. Zmiana entropii rnych metali podczas krzepnicia [78].

Sie Tk Ciepo Zmiana entropii krystaliczna Metal krystalizacji !J. S

K kJ/q J/(qatomK)

szecienna Al 933 1,04 11,3 pasko C u 1356 1,29 9 , 6 centrowana Pb 600 0,48 7 ,9

szecienna er 2163 1,93 8 ,8 przestrzennie K 336 0,24 7 ,1 cent r owana Na 371 0,26 8,4

Mg 923 0,88 9,6 heksagonalna Z n 692 o, 73 10 , 0 zwarta S n 505 0,71 13,8

G a 303 0,56 18 ,4

Tab . J . Rozpuszczalno krzemu w aluminium w roztworze staym

w w zalenoci od temperatury [89).

Temperatura 577 552 527 477 427 377 327 277 227 o c

Ro zpusz c za l-n o S i '" Al l' 65 l' 30 l' 10 0,70 0 ,4 5 0,25 o, 10 0,04 0 , 01 ... ( v1aq.)

- 10 -

Rys.l. Zarodkowanie faz eutektyki wg W.Kurza i P.R.Sahma [66].

Faza a jest zarodkujca w stosunku do fazy B.

Poniewa aa13 > 0 i aa13=a13a , nierwnoci (l) i (2) nie mog si~ spenia rwnoczenie, czyli niejednakowe s moliwoci zarod-

kowania w obydwu skadnikach. Std wniosek, e zdolno zarod-

kujca danej fazy uwarunkowana jest du wartoci napi~cia

powierzchniowego mi~dzy zarodkiem i ciecz eutektyczn oraz

ma energi powierzchniow rozdziau mi~dzy zarodkiem, a ro-

sncym krysztalem lub rosncym krysztalem i ciecz.

al b) c)

[] . . Rys.2. Struktury eutektyczne: a) pytkowa, b) slupkowa (wkni

sta), c) ziarnista [19].

- 11 -

Wedug J.Braszczyskiego [13] eutektyki podwjne maj trzy

podstawowe rodzaje mikrostruktury (rys.2): pytkow (rys.2a),

gdzie pytki wydzielania jednej fazy tworz wtrcenia w ciglej

osnowie drugiej fazy; supkow (rys.2b) albo wknist, gdzie

supkowe wydzielenia jednej fazy tworz wtrcenia w ciglej

osnowie drugiej fazy; ziarnist (rys.2c), gdzie izolowane

krysztay jednej fazy tworz wtrcenia w podou drugiej fazy.

W istocie rnice mikrostruktur s pozorne; podstawow mikro-

struktur eutektyki jest budowa pytkowa. Struktury pozostale

s znieksztaceniami struktury pytkowej, wywoanymi rnymi

warunkami krystalizacji i zanieczyszczeniami stopu. Struktura

czysto pytkowa posiada pytki prostoliniowe i rwnolegle,

a obydwie skadowe strukturalne maj niemal stale orientacje,

zwizane ze sob prostymi zalenociami krystalograficznymi.

Wspczesna hipoteza mechanizmu krystalizacji wymaga roz-

patrzenia wielu powierzchni rozdziau wystpujcych w tej

strukturze; pokazano to na rysunku 3 wedug Kurza i Sahma [66].

a) b)

(J a {3 a

Rys.3. Powierzchnie rozdziau w strukturze eutektycznej wg

Kurza i Sahma [66]: a) schemat struktury eutektycznej,

b) oznaczenia powierzchni rozdziau.

W eutektykach podczas i po zakoczeniu krystalizacji obserwuje

si powierzchnie rozdziau midzy Q i B krysztaami oraz cie-

cz(B/C, Q/C), Q i B krysztaami eutektyki oraz midzy eutekty-

cznymi komrkami i ziarnami.

- 12 -

Zakadajc taki rozkad powierzchni rozdziau, mona

mechanizm krystalizacji eutektyki opisa zgodnie z Chalmersem

(13, 16] uwzgl~dniajc prace Tillera (13, 114], Flemingsa

[13,34], Hunta i Jacksona (13, 53], Pattersona i Englera

[13,80] oraz Scheila (13,99]. Mechanizm ten zakada, e

powierzchnie mi~dzy pytkami powinny by w przyblieniu prosto-

padle do redniej powierzchni rozdziau faz cieklej i stalej .

Obydwie fazy krystalizuj rwnoczenie i kada z pytek ma

swoj, sobie waciw, powierzchni~ rozdziau mi~dzy fazami

ciek i stal . Cieka faza na froncie krystalizacji przed

kad pytk wzbogaca si~ gwnie skadnikami pytki

ssiedniej.

Wedug Braszczyskiego [ 13] przebieg krzywych st~enia w

obszarze metastabilnym (poniej Te) przy przechodzeniu &T

(rys .4) powoduje st~enie odpowiedniego skadnika (A lub B)

w cieczy przed kad pytk zblione do st~enia nasycenia

danej fazy (C0

, Cn). Wskutek dyfuzji w kierunku poprzecznym do

kierunku krystalizacji x powstaje przed frontem krzepni~cia

falowy przebieg st~enia (rys.4b). W odrnieniu od stopw

jednofazowych, w ktrych wyrwnanie st~e przed frontem

rosncych krysztaw wskutek dyfuzji musi zachodzi w caym

obszarze cieczy , poprzeczna dyfuz ja przy normalnej krystaliza-

CJl eutektycznej must wyrwnywa rnice st~e tylko na

odcinku odst~pu pytek (g na rys.4c).

Przy eutektycznym skadzie stopu (C e rys. 4a), obydwa

skadniki powinny przechodzi w faz~ sta w takiej proporcji,

w jakiej znajduj si~ w fazie cieklej.

Z oblicze termodynamiczno-kinetycznych wynika [13,34], e

maksymalne nagromadzenie domieszek w cieczy przed frontem kry-

stalizacji (odchylenia od skadu eutektycznego- rys.5b) nie

jest zbyt due, zwykle mniejsze o 0,1 % Wane jest rwnie

to, e niewielkie st~enie atomw B przy wzrocie pytki fazy o

i atomw A przy wzrocie fazy 13 szybko zanika w maych odle-

gociach od frontu krystalizacji, rwnych pl gruboci zespou

pytek.

Przedstawiony na rysunku 5c zespl pytek g faz o i 13

nazwano koloni eutektyczn ; jego grubo g na zwa na take

odlegoci mi~dzyfazow stanowic wymiar charakterystyczny -

- 13 -

al

r. tJ. T

B '

b) 1- skad cteczy CL

t 1 9 fJ .. .no

' K'

- 14 -

Wymiar charakterystyczny (odlego midzyfazowa) g kolonii

eutektycznej wedug Jacksona i Hunta [54] , moe zalee od

przechodzenia:

gdzie: jest nachyleniem wypadkowym likwidusu

(ma , mB s to nachylenia linii likwidus

do fazy a i B) ,

(4)

A - wspczynnikiem zalenym od waciwoci termofizy-

cznych poszczeglnych faz tworzcych eutektyk.

Oznacza to take, e ze wzrostem prdkoci krystalizacji lub

wzrostem przechodzenia wzrasta dyspersja struktury pytkowej

i rwnie maleje anizotropia pytek [13, 15].

ulega

( lT

Opisany mechanizm krystalizacji pytkowej eutektyki

znieksztaceniu zalenie od wielkoci przechodzenia

rys. 4) , prdkoci krystalizacji v i poczonej z tymi

wielkociami odlegoci midzyfazowej g, co mona przedstawi

rwnaniem:

B tJ. T= A vg +-g

gdzie: A i B s staymi, okrelonymi waciwociami stopu.

(5)

Jednake zaleno (5) nie zostaa potwierdzona dowiadczalnie

z uwagi na nieokrelono staych A i B. Rwnanie zinterpreto-

wa graficznie Flemings [13, 34), co ma due znaczenie prakty-

czne i pozwala wyjani znieksztacenia eutektyki zauwaane

czsto w stopach metali (rys.S).

Bardzo przejrzycie budow ziarna eutektycznego przedsta-

wi Poniewierski [89) (rys.7).

W nawizaniu do rwnania (5) wedug Flooda i Hunta [35,

89), w sensie fizycznym pierwszy czon rwnania (Avg) wynika

z procesw dyfuzyjnych zachodzcych na froncie krystalizacji

eutektyki, a drugi (B/g) - uwzgldnia zmiany energii powierz-

c hniowej. Graficzn posta rwnania (5) przy stalej prdkoci

- 15 -

a ) ciecz b) I

. ..

p :-;""""~ . J, ,

II

Rys.5 . Znieksztacenie eutektyki spowodowane zmian pr~dkoci

krystalizacji: I - wg Kurza i Sahma [66] (l - eutektyka

normalna, 2,3 - znieksztacenia eutektyki),

II- wg Jacksona i Hunta [54).

Rys.6. Schemat ziarna eutektycznego, tworzonego np. w silumi-

nach (g - odlego midzyfazowa, d - wymiar ziarna)

[ 89] .

- 16 -

v=const

1

OdlegTo midzyfazowa g

Rys.?. Schematyczny wykres zalenoci stopnia przechodzenia od

odlegoci midzyfazowej g , z zaznaczeniem punktw od-

powiadajcych tworzeniu si eutektyki regularnej l

i nieregularnej 2 [35].

wzrostu przedstawiono na rysunku 7. Wedug rwnania (5) wynika,

e dla danego przechodzenia AT odlego midzyfazowa g , dla

staej prdkoci v, moe przybiera rne wartoci. Jest to

sprzeczne z danymi dowiadczalnymi wykazujcymi, i eutektyki

regularne wzrastaj przy minimalnym (w przyblieniu) stopniu

przechodzenia, tak jak to przedstawiono na rysunku 7.

W zwizku z tym , przyjmujc dla rwnania (5) kryterium opty-

malizacyjne wzrostu eutektyki, przy minimalnym stopniu prze-

chodzenia, otrzymuje si wyraenie:

d(~T)

d g o

Rniczkujc rwnanie (5) otrzymuje si:

std:

d(~T)

d g

vg 2

= v A- ~ g 2

B A

const

(6)

o (7)

(8)

- 17 -

Zaleno (8) wyraa przedstawione prawo eutektyki regularnej,

wice odlego midzyfazow g z prdkoci wzrostu v , ktre

zweryfikowano dowiadczalnie w szeregu bada dotyczcych prze-

wanie kierunkowej krystalizacji eutektyk regularnych.

Jackson i Hunt (13, 54) sformulowali kryteria przejcia

struktury eutektyki pytkowej w iglast:

- jeeli wszystkie energie midzyfazowe na granicach cieczy

i ciaa stalego oraz ciaa stalego z ciaem staym s izo-

tropowe, to struktura eutektyki bdzie iglasta, jeli

w eutektyce udziay objtociowe fazy najuboszej

(w skadnik stopowy) bd mniejsze od 30% , natomiast gdy

tej fazy najuboszej bdzie wicej ni 30%, wykrystalizuje

eutektyka pytkowa;

- jeeli istniej uprzywilejowane paszczyzny midzyfazowe

o najmniejszej energii (anizotropia energii midzyfazowej)

fazy stalej z ciecz i fazy stalej z faz stal, to struk-

tura pytkowa moe powsta przy mniejszych udziaach obj

tociowych fazy najuboszej.

Jeli idzie o pierwsze kryterium naley sdzi, e ukad

Al-Si bdzie wanie krystalizowa w ten sposb. Faza najubo

sza to faza B (aluminium rozpuszczone w krzemie). w temperatu-rze eutektycznej rozpuszczalno aluminium w krzemie wynosi

O, 5% [ 13, 85), natomiast w tej e temperaturze rozpuszczalno

krzemu w aluminium (faza a) wynosi 1,65% [13, 85).

W stopach podeutektycznych faza B wydziela si w postaci

igie, natomiast w stopach nadeutektycznych f' a za ta wydziela

si w postaci pytkowej. Zachodzi to oczywicie wtedy, jeeli

nie wystpuj zakcenia przy krzepniciu (modyfikacja, szybkie

studzenie).

Z wymienionych wyej kryteriw mozna rwnie wycign

wniosek, e warto wspczynnika dyfuzji w cieczy okrela

drobnoziarnisto struktury, lecz nie jej morfologi, ktra

zaley tylko od energii mi~d zypow i erzchniowej

udziau obj~tociowego faz tworzcych eutektyk~.

wzgl~dnego

No ry s unku R przedstowiano sche matyc z ni e w?.rost krys ztalow

kr?.emu w stopie e utektycznym Al-Si [13, 1 7, 1L).J]. TL.y kryszL1-

faza staa

- 18 -

l

,.,.:'1

,1gJ51t~ ;;; l

l l l

D l

r:.:J:F21:EI::~ faza cleka

Rys.a. Wzrost krzemu eutektycznego (eutektyka niecigla)

w stopie Al-Si. A, B, c, D - krysztay krzemu,

I, II- kolejne pooenie frontu krzepnicia [13].

ly krzemu (A, B, C) rosn w prawo w stosunku do powierzchni

rozdziau faz I. Odlego midzy chaotycznie zorientowanymi

krysztaami A i B zwiksza si, w zwizku z tym stenie

w strefie midzy krysztaami A i B ronie i osiga wreszcie

tak warto, e tworzy si zarodek nowego krysztalu D, albo

rozgazienie E. W podobny sposb zostaje zahamowany wzrost

krysztalu C, poniewa wzrost krysztalu B zubaa w krzem ciecz

w kierunku wzrostu krysztalu C.

Ogln przyczyn braku cigoci w eutektykach jest anizo-

tropia wzrostu jednej z faz. Jeli anizotropia jest bardzo

dua, moliwe jest nawet wytworzenie eutektyki typu spiralnego

[ 13].

Niektrzy autorzy podejmowali prby okrelenia kryterium

przejcia od struktury eutektyki pytkowej do eutektyki wkni

stej (supkowej, rys.2) i eutektyki rozetkowej. Badania Halma-

- 19 -

nowej [13, 50, 51], Poniewierskiego [86, 88], Smartha [12, 13]

wskazuj, e w siluminach eutektyka ma posta komrek wyrosych

z jednego zarodka i przestrzenny ksztat rozetkowy, niezalenie

od prdkoci krystalizacji.

Biorc pod uwag przedstawione rozwaania mona sdzi, e

jeli idzie o struktur cieczy o skadzie eutektycznym oraz

jej krystalizacj jest dotd wiele niejasnoci, a dotychczasowe

hipotezy nie s jednoznaczne.

Trzeba jeszcze wyjani krystalizacj stopu o skadzie

nieeutektycznym (C0

- rys.9), krzepncym w ukadzie eutektycz-

nym. Na rysunku 9 przedstawiono trzy przypadki, wedug ktrych

moe powsta eutektyka podczas krystalizacji supkowej lub

d) T

c

Rys.9. Krystalizacja stopu podeutektycznego wg Flemingsa [34]:

a) paski front krystalizacji, b) komrki eutektyczne,

c) ziarna eutektyczne, d) wycinek wykresu rwnowagi

[ 13].

dendrytycznej. W kadym z tych przypadkw ma si do czynienia

ze skadem podeutektycznym (C0

}, a krzepnicie zachodzi przy

malej wartoci stosunku gradientu temperatury do prdkoci kry-

- 20 -

stalizacji G V

oznacza to, e temperatura u podstawy rosncego

dendrytu jest bliska temperaturze likwidusu.

Dla wszystkich stopw eutektycznych podwjnych front krysta-

lizacji eutektyki u ' podstawy dendrytw powinien by plaski

(rys. 9a) . Jednake zazwyczaj w stopie wystpuje pewna ilo

domieszek i przy dostatecznie malej wartoci stosunku G front V

eutektyczny przechodzi w kolonie i komrki (rys.9b). W stopie

z jeszcze wiksz zawartoci trzeciego pierwiastka lub przy

jeszcze mniejszej wartoci G V

dwufazowe komrki przybieraj

posta dendrytw lub zarodkuj nowe ziarna (komrki eutekty-

czne, rys.9c).

1.2. Ukad rwnowagi stopw Al-Si

Ukad rwnowagi Al-Si, przedstawiony na rysunku 10, jest

typowym ukadem z eutektyk i ograniczon rozpuszczalnoci

skadnikw w stanie staym. Temperatura topnienia aluminiurn

wynosi 660C, temperatura topnienia krzemu wynosi 1412C i jest

wysza od temperatury topnienia aluminiurn o 752C. Ciepo

topnienia aluminiurn wynosi 10,4 7 kJ /mol i jest okoo cztero-

krotnie mniejsze ni ciepo topnienia krzemu. Podczas krzepni

cia, aluminiurn kurczy si objtociowo o 6%, krzem natomiast

podczas krzepnicia rozszerza si objtociowo o 8%. Te charak-

terystyczne cechy skadnikw tworzcych ukad rwnowagi wpywa

j na jego posta oraz na waciwoci stopw Al-Si. Punkt eute-

ktyczny w ukadzie fazowym jest przesunity w kierunku

wikszych ste Al. Jego dokadne pooenie, okrelane dawniej

[89] zawartoci 11,7% Si, przyjto ostatecznie jako odpo-

wiadajce 12,5% Si ciarowo [77, 89]. W skad eutektyki,

krystalizujcej w temperaturze 577C , wchodz ograniczone

roztwory stale: a oraz ~- Rozpuszczalno graniczna krzemu

w aluminiurn wy nosi w temperaturze eutektycz nej 1,65% i ze spad-

kiern temperatury zrnn iejsza si praktyczni e do zera.

czalno aluminium w krzemic w roztworze s t n lym r,

Razpusz-

ni c jes t

dokl ad ni e znana . Przyjmuj e s i q obecnie, e wynosi on;1 m,ksymil l-

~ .i:!

- 22 -

Rozpoczcie krystalizacji eutektycznej w siluminach nad-

eutektycznych nie wyrnaga znacznego przechodzenia cieklego

stopu, gdy wydzielenia pierwotnych krysztaw krzemu oraz

odmienna struktura fazy ciekej, uatwiaj w temperaturze

eutektycznej rwnomierne wydzielenia obu faz staych zwaszcza

w stopach modyfikowanych fosforem, ktry powoduje stabilizacj

klasterw (Si-Si). Wedug Kumara (65, 89] na struktur ciekych

stopw Al-Si wywieraj wpyw take inne rnodyfikatory, na przy-

kad Na, Sr oraz obecno innych skadnikw stopowych, w tym

gwnie Mg.

1.3. Krystalizacja nierwnowagowa siluminw okooeutektycznych

i podeutektycznych

Proces krystalizacji w warunkach rzeczywistych odleww

siluminowych ma mniejsze lub wiksze odchylenia w stosunku do

przebiegu wynikajcego z wykresu rwnowagi ukadu Al-Si

(rys. lO) . Powodem tych odchyle s: znacznie szybsze chodzenie

stopu ni w warunkach rwnowagowych oraz zmiany jego struktury

wyjciowej w stanie ciekym, pochodzce od przypadkowych zanie-

czyszcze lub celowo wprowadzonych dodatkw stopowych bdz

modyfikatorw. Charakterystyczne punkty na wykresie rwnowagi

fazowej obowizuj dla cinienia atmosferycznego, natomiast

ulegaj przesuniciom przy stosowaniu krzepnicia pod cini

eniem.

Jeeli analizuje si wyej wymienione czynniki, naley

zwrci uwag, e stopy Al-Si s skonne do tworzenia nieregu-

larnej eutektyki niecianowo-ciennej typu pytkowego (89].

Pokazano j na rysunku lla w siluminie AK7 (81]. Pod wpywem

duej prdkoci chodzenia albo w wyniku modyfikacji np. sodem

lub strontem, nieregularna eutektyka pytkowa zmienia si

gwnie przez zmniejszenie odlegoci midzyfazowej, ponadto

wskutek modyfikacji nastpuje przeksztacenie nieregularnej

eutektyki pytkowej w eutektyk wknist, ktra moe by

traktowana jako regularna (rys.llb).

Korzystnym przemianom struktury eutektycznej towarzyszy

wzrost waciwoci mechanicznych siluminw (tab.4). W przypadku

obecnoci w siluminach niemodyfikowanych zan1eczyszcze

- 23 -

uatwiajcych zarodkowanie krzemu, utrudnia to przechodzenie

krystalizacji eutektycznej, warunkujcej zmniejszenie si~ odle-

goci mi~dzyfazowej eutektyki w stopniu odpowiadajcym szybko

b)

Rys.11. Struktury stopu AK7 odlewanego do kokili:

a) niemodyfikowany, b) modyfikowany strontem

(powikszenie 100x) [81].

Tab.4. Wpyw przemiany struktury eutektycznej a(Al)-Si , z nie-

regularnej w regularn, na waciwoci mechaniczne AK9

odlewanego do kokili [59]

Waciwoci mechaniczne

Rodzaj modyfikatora R As HB KCV m

MPa % kJ/m 2

Stront, po 60 min, 0,024 % 202 6,5 62 25,0

Antymon, po 60 min, 0,4 % 191 7,0 64 28,0

Sd, po 15 min, 0,03 ~ o 193 6,6 63 35,6

Sole sodu, po 15 min, 1,2 ~ o 198 9,1 62 32,2

Niemodyfikowany 174 3,0 58 15,0

- 24 -

chodzonym stopom niezanieczyszczonym. Do tych zanieczyszcze

naley gwnie fosfor ju w ilociach ladowych, ktry tworzy

zwizek AlP uwaany za katalizator zarodkowania heterogeniczne-

go dla krystalizacji krzemu. Zjawisko to zaobserwowa Glirtler

[48, 81, 89) badajc krzywe stygnicia siluminu eutektycznego,

zanieczyszczonego i niezanieczyszczonego fosforem, uzyskane

analiz termiczn stopw szybko ochodzonych (rys.12).

a) 590 o c

~ 580

~ 570 ~

l

~ \..- / t[

j b) l ./ ..1

o {

~

~l ~ ~ 560 l~ 1min \ V f min ,____. 550

Czas studzenia lub ogrzewania mtn

Rys.12. Krzywa stygnicia siluminu eutektycznego: a) zanie-

czyszczonego fosforem i chodzonego z prdkoci

280C/min, b) nie zawierajcego zanieczyszcze

fosforem i chodzonego z prdkoci 220C/min. Prze-

chodzenie krystalizacji eutektycznej ( 2C i l6C )

odnosi si do temperatury topnienia eutektyki,

wyznaczonej na krzywych przedstawiajcych proces

ogrzewania tych samych prbek (48).

Na rysunku wida,

220C/min wykaza

e stop czysty ochadzany

najwiksze przechodzenie

z prdkoci

krystalizacji

eutektycznej l6C, natomiast ten sam stop zanieczyszczony

fosforem mimo wikszej prdkoci studzenia 280C/min, mial

przechodzenie tylko 2C.

w licznych badaniach w tym zakresie wykazano, ze szybkie ochodzenie bd zastosowanie modyfikacji sodem lub strontem

moe wywoa przechodzenie krystalizacji eutektycznej nawet

o l0720C w stosunku do rwnowagowej temperatury krystaliza-

cji eutektyki. W zw izku z tym z c ieczy o sk adz i e e ut e ktycz nym

- 25 -

wydzielaj si tylko krysztay roztworu staego a: (Al) a do

chwili, w ktrej z pozostaej przechodzonej cieczy rozpocznie

si wydzielanie rwnie krzemu i dopiero wwczas nastpi sprz

ona krystalizacja obu faz eutektyki w postaci zblionej do

regularnej.

W badaniach prowadzonych pod kierunkiem autora [ 81) dla

stopw AK7, AK9, AK11, AK62, AK64 modyfikowanych strontem

wystpiy przechodzenia stopu odlewanego do kokili w granicach

0,3 + 14C. Dla modyfikowanych antymonem 0,3 + 1,7C.

Rys.13. Krzywe stygnicia siluminu eutektycznego; 1 - stop

niemodyfikowany, 2- stop modyfikowany sodem (99].

Taki przebieg krystalizacji powoduje efekt przesunicia

rzeczywistego skadu stopu odpowiadajcego tworzeniu si

eutektyki - do wikszych ste Si. Im wiksze przechodzenie,

tym wiksze stenie Si osiga ciecz podczas krystalizacji

eutektycznej. W praktyce przesunicie punktu eutektycznego,

wywoane bd szybkim ochodzeniem, bd modyfikacj sodem lub

strontem, okrela si zwykle zmian stenia krzemu z 12,5% do

okoo 14%. Powoduje to zachowanie si siluminu eutektycznego

jako siluminu podeutektycznego, nawet jeeli zawarto krzemu

jest nieco wiksza ni dla skadu eutektycznego. Stwierdzono to

na podstawie analiz termicznych, jak i bada metalograficznych.

Na krzywej stygnicia pokazanej schematycznie na rysunku 13

pojawia si wyraznie zaamanie odpowiadajce krystalizacji

dendrytw a: (Al) , poprzedzajcej krystalizacj w stalej tempe-

raturze eutektyki a:(Al)-Si.

- 26 -

Ponadto w strukturze odleww wykonanych ze stopu AK11 szybko

studzonego lub modyfikowanego wyst~puj zawsze pierwotne den-

dryty a(Al) (rys.14). Natomiast w tym samym stopie niemodyfiko-

wanym mona zaobserwowa pojedyncze wydzielenia krysztaw

pierwotnego krzemu (nadeutektycznego) (rys.15).

Rys.14. Struktura siluminu

eutektycznego AKll

modyfik. 0,03% Sr.

Pow. 100x [81].

Rys.15. Struktura siluminu

eutektycznego AK11

niemodyfikowanego.

Pow. lOOx [81].

Pokazana na rysunku 15 struktura zawierajca krysztay

pierwotnego krzemu, faz a(Al) oraz nieregularn eutektyk

pytkow jest potocznie zwana struktur ziarnist. Struktura ta

tworzy si w wyniku zanieczyszczenia

nazwa pochodzi od wystpowania w niej

stopu fosforem, a jej

zwartych poliedrycznych

krysztaw krzemu, charakterystycznych dla pierwotnej krysta-

lizacji Si w siluminach nadeutektycznych modyfikowanych wanie

fosforem. Przemian tej struktury w struktur skadajc si

z dendrytw fazy a(Al) i eutektyki charakteryzujcej si zna-

cznym zmniejszeniem odlegoci midzyfazowej, mona uzyska

tylko przez modyfikacj sodem, strontem lub antymonem. Modyfi-

katory te neutralizuj wpyw fosforu na uatwienie zarodkowania

pierwotnego krzemu w formie poliedrycznych krysztaw.

- 27 -

Ze wzgldu na to, e w praktyce wystpuj gwnie stopy zanie-

czyszczone, proces modyfikacji jest na ogl niezbdny dla

uzyskania odpowiednich waciwoci mechanicznych odleww silu-

minowych.

Uzyskana przez modyfikacj struktura eutektyki ma cha-

rakterystycznie zmniejszone odlegoci midzyfazowe, co - jak

ju stwierdzono - powoduje wzrost wytrzymaoci i twardoci

stopu. Wystpowanie jednoczesne pierwotnych dendrytw roztworu

stalego a(Al) sprzyja polepszeniu waciwoci plastycznych

stopu (tab.4). Nastpn moliwoci uzyskania korzystnej struk-

tury i polepszenia waciwoci mechanicznych siluminw jest

wykorzystanie krzepnicia pod cinieniem. Wystpuje to w prak-

tyce przy odlewaniu pod cinieniem, ale gwnie przy prasowaniu

cieklego metalu.

Jak podaje Poniewierski [89], krystalizacja pod cinieniem

wprowadza znaczne zmiany w odniesieniu do punktw charakte-

rystycznych wykresu rwnowagi fazowej Al-Si (rys . lO). W miar

wzrostu cinienia nastpuj przede wszystkim zmiany temperatury

krzepnicia obu skadnikw ukadu. Temperatura krzepnicia

aluminium podwysza si, natomiast krzemu ulega obnieniu. Jest

to, zgodnie z zalenoci Clausiusa-Clapeyrona, efektem wyst

pujcego podczas krzepnicia zmniejszania si objtoci waci

wej aluminium oraz zwikszania si objtoci waciwej krzemu.

Zmienia si take graniczna rozpuszczalno krzemu w roztworze

a , a punkt eutektyczny Al-Si przesuwa si w kierunku wikszych

ste Si, take podwysza si temperatura eutektyczna (rys.16)

[13, 18, 59]. Kocowym efektem krystalizacji siluminw pod

dziaaniem wysokich cinie s wyrane zmiany ich struktury,

podobne do uzyskiwanych pod wpywem modyfikacji lub szybkiego

chodzenia, a wic znacznie mniejsza odlego midzyfazowa

eutektyki oraz zwikszenia udziau objtociowego pierwotnych

krysztaw roztworu a (Al) [ 13]. Jest to zrozumiale ze wzgldu

na przesunicie punktu eutektycznego do znacznie wikszych

zawartoci krzemu (do okoo 30%), a wic stopy znacznie nad-

eutektyczne bd si zachowywa jak podeutektyczne.

Dalej Poniewierski [89] podaje, e niezalenie od tych

korzystnych, z punktu widzenia waciwoci mechanicznych, zmian

strukturalnych, odlewy cinieniowe charakteryzuj si ponadto

- 28 -

du dokadnoci wymiarow oraz brakiem typowych wad odlewni-

czych, takich jak np. porowato skurczowa, obcignie:cia czy

niedolewy.

moa.----.---,----.----, oc

30 % 40

Rys.l6 . PrzesuniElcie krzywych rwnowagowych, ste i tempera-

tur eutektycznych w ukadach Al-Si, jako skutek oddzia-

ywania wysokich cinie na krystalizacj stopw tego ukadu [59) .

W tym miejscu ze stwierdzeniem Poniewierskiego monaby

polemizowa. Na przedstawionym wedug jego pracy [89] wykresie

zamieszczonym na rysunku 16 wida, e zastosowane w badaniach

przez autorw [59, 101) cinienia s bardzo due: l 7 5 GPa 4 4 2 ( l 10 7 5 10 kG/cm ) , niespotykane w odlewnictwie cinie-

niowym, gdzie s one 100 razy mniejsze. Zakres cinie podany

na rysunku 16 odnosi si moe tylko do prasowania cieklego

metalu, co jest odmienn technologi w stosunku do klasycznego

odlewania cinieniowego; to rwnie stwierdza w swej pracy

Wierzbicka [ 12 5]. Podane przez Poniewierskiego stwierdzenie,

e odlewy cinieniowe klasyczne nie maj porowatoci skurczo-

wych, moe si odnosi tylko do odleww wykonanyc h prasowaniem

cieklego metalu. Klasyczne bowiem odlewy cini eniowe posiadaj

w anie wady wewntrzne typu porowatoci skurczowych z uwagi

na niemoliwo ich zasilania podczas krzepnicia. Odlewy

cinieniowe na ogl nie kr zepn pod cinieni em ze wzgl -

du na zakrzepnic ie ukadu wlewowego tym sa mym odcicie

- 29 -

moliwoci zasilania odlewu z kornory cinieniowej. Powoduje to

zreszt kopoty z ich szczelnoci i w szeregu przypadkach

wyrnaga ich uszczelnienia np. ywicami syntetcznyrni (FSM).

Poniewierski ( 89) za Ciachem ( 28) stwierdza, e krysta-

lizacji nierwnowagowej towarzyszy z reguy mikrosegregacja

dendrytyczna. Z bada tych wynika, e w stopach Al-Si o zawar-

toci 1 + 8% Si , niezalenie od stosowanych konkretnych warun-

kw ich krzepni~cia, charakter otrzymanych krzywych rozkadu Si

na przekroju dendrytu roztworu stalego a(Al) jest bardzo podo-

bny. Najmniejsze st~enia krzemu odpowiadaj rozlegym central-

nym obszarom dendrytu, natomiast ich gwatowny wzrost wystpuje

w pobliu jego warstw peryferyjnych. Niezalenie od skadu

stopu, rnikrosegreqacja dendrytyczna wykazuje tendencj~ do zani-

ku pod wpywem krzepni~cia w warunkach wysokiego cinienia, ze

wzgl~du na wzrost st~enia Si w centralnych obszarach dendrytu.

Minimalny poziom st~enia Si w tych miejscach odpowiada nato-

miast krystalizacji stopu w warunkach znacznego przechodzenia.

Wykazano take wyst~powanie eutektyki nierwnowagowej oraz

wyrazny wpyw wzrostu cinienia na zmniejszenie si cakowitej

iloci eutektyki wystpujcej w strukturze badanych stopw.

Jest to wynikiem zwi~kszonej kilkakrotnie rozpuszczalnoci Si w

roztworze a(Al) , co wyranie wida na rysunku 16. W zasadzie

w tym samym kierunku, lecz w mniejszym stopniu, oddzialywuje

rwnie przechladzanie krystalizacji stopu, wywoane bd szyb-

kim studzeniem, bd modyfikacj stopu sodem lub strontem.

1.4. Rodzaje struktur wystpujcych w siluminach okolo-

eutektycznych i podeutektycznych

Z uwagi na znaczny wpyw postaci struktury na waciwoci

mechaniczne i technologiczne siluminw, zachodzi konieczno

scharakteryzowania i klasyfikacji rnych rodzajw struktur

wystpujcych w tej grupie stopw.

Tradycyjny podzia [8, 13] jest zwizany z warunkami krys-

talizacji stopu rozrniajc trzy podstawowe rodzaje struktury:

- ziarnista lub iglasta; w ziarnistej wyst~puj przedeute-

ktyczne krysztay krzemu i fazy a(Al) oraz nieregularna

- 30 -

eutektyka pytkowa z iglastymi krysztaami B(Si); jeeli

wystpuje tylko eutektyka pytkowa, nazywamy j iglast;

- struktura pytkowa, jeeli wystpuj w niej przedeutekty-

czne krysztay fazy a(Al) i nieregularna eutektyka pyt

kowa o mniejszych odlegociach midzyfazowych;

- struktura zmodyfikowana, inaczej uszlachetniona, zoona

z przedeutektycznych krysztaw fazy a(Al) i eutektyki

wknistej o znacznej dyspersji.

Struktur ziarnist przedstawiono na rysunku 17a, gdzie

wyraznie wida przedeutektyczne krysztay Si oraz iglast

eutektyk. Jest to struktura stopu AKll niemodyfikowanego.

Rysunek 17b przedstawia struktur iglst stopu AK9 niemodyfiko-

wanego. Wyraznie wida igy krzemu eutektycznego na tle nie-

wielkiej iloci dendrytw roztworu a (Al) . Zwraca uwag fakt

wystpowania faz tworzcych formacje "chiskiego pisma" (fazy

z Fe). Waciwoci mechaniczne, szczeglnie wyduenie i udar-

no stopw posiadajcych struktur ziarnist lub iglast nie

sa, zbyt due z uwagi na wystpowanie w ich strukturze duych

wydziele kruchej fazy Si. Struktury ziarniste wystpuj w

stopach zanieczyszczonych fosforem- niemodyfikowanych [13).

Drug grup - struktur pytkowych - przedstawiaj rysunki

17c oraz 17d. Na rysunku 17c pokazano struktur pytkow silu-

minu AK9 modyfikowanego dodatkiem antymonu. Wydzielenia krzemu

eutektycznego s bardziej uporzdkowane. W tle dendryty roztwo-

ru a(Al). Rwnie wyraznie widoczne wydzielenia faz tworzcych

"chiskie pismo" (Fe). Na rysunku 17d przedstawiono struktur

siluminu AKll modyfikowanego antymonem. Tego rodzaju struktury

wystpuj w stopach wyjtkowo czystych (bez fosforu), lub

z niewielkim dodatkiem antymonu, dla zneutralizowania domieszek

fosforu. Waciwoci mechaniczne takich stopw zale od

zmniejszonej odlegoci midzyfazowej w ziarnach eutektycznych,

zalenej take od szybkoci chodzenia podczas krystalizacji

stopu. Tego rodzaju bowiem struktura moe wystpi przy zna-

cznym przechodzeniu. Efekt podobny mona uzyska rwnie i dla

stopw zanieczyszczonych fosforem, jeeli wprowadzi si do

niego niewielki dodatek antymonu,

neutralizuje niekorzystny wpyw

o czym wspomniano.

fosforu stwarzajc

Antymon

warunki

- 31 -

Rys.17. Przykadowe struktury siluminw okooeutektycznych i

podeutektycznych: a) struktura ziarnista odlewu z si-

luminu AKll niemodyfikowanego, b) struktura iglasta

niemodyfikowanego stopu AK9 , c) struktura pytkowa

odlewu z siluminu AK9 modyfikowanego Sb, d) struktura

odlewu z siluminu AKll modyfikowanego Sb, e) struktu-

ra odlewu z siluminu AK7 modyfikowanego Sr, f) struk-

tura odlewu z siluminu AKll modyfikowanego Sr.

Powikszenie lOOx [81] .

- 32 -

uatwiajce przechodzenie krystalizacji eutektycznej w szybko

krzepncych stopach (np. w kokilach). Wyst~puje znacznie

zmniejszona odlego mi~dzyfazowa krysztaw eutektyki, z za-

chowaniem jednak pytkowej formy geometrycznej krysztaw Si.

Przechodzeniu krystalizacji eutektycznej towarzyszy

zawsze zwi~kszenie udziau obj~tociowego dendrytw roztworu

stalego a(Al) w strukturze stopu, co sprzyja zwi~kszeniu plas-

tycznoci odleww niezalenie od wzrostu ich wytrzymaoci,

ktra jest spowodowana zmniejszeniem odlegoci mi~dzyfazowej w

ziarnach eutektyki (rys.17c).

Trzecia grupa struktur to struktura prawidowo zmodyfiko-

wana nazwana struktur uszlachetnin. Struktur~ t~ otrzymuje

si~ modyfikujc stop sodem, solami sodu lub strontem

(rys.17e,f). Cech tej struktury jest minimalna odlego

mi~dzyfazowa eutektyki, z zaokrgleniem ich konturw oraz

zwi~kszonym udziaem dendrytw plastycznej fazy a (Al), ktre

wyst~puj take w odlewach wolniej chodzonych np. piaskowych,

co wida na rysunkach 17e,f. W rezultacie przemiany struktury

ziarnistej w uszlachetnion zwi~kszaj si~ znacznie waciwoci

mechaniczne odleww (Rm, A5 , HB, KCV), przy czym wyduenie

i udarno wzrastaj najbardziej (tab . 4) [110].

Duy post~p w poznaniu rzeczywistej budowy rnych faz

eutektyki Al-Si nastpi po wprowadzeniu do bada metalografi-

cznych elektronowego mikroskopu skaningowego, ktry umoliwi

obserwacj~ trjwymiarowych krysztaw Si po specjalnym gl~bo

kim, selektywnym wytrawieniu prbek. Okazao si~, e wydzie-

lenia eutektyczne krzemu maj znacznie bardz iej skomplikowan

budow, ni wynikaloby to z obrazw otrzymywanych z mikroskopu

optycznego.

- 33 -

Na rysunku 18 przedstawiono mikrostruktury stopu AK9:

a,b - stop niemodyfikowany; c,d - modyfikowany 0,04% sr.

Na fotografiach rysunku 18 wida wyranie dla stopu niemodyfi-

kowanego grube iglaste wydzielenia krzemu eutektycznego w prze-

strzeniach midzydendrytycznych a(Al). stop modyfikowany ma

bardzo rozgazione wydzielenia krzemu sprawiajce wraenie

krysztaw sferoidalnych (23].

a} c}

500x 500x

b) d)

lOOOx lOOOx

Rys.18. Mikrostruktury stopu AK9 wykonane na mikroskopie ska-

ningowym: a,b - stop niemodyfikowany; c,d - stop mody-

fikowany 0,04% Sr (23].

- 34 -

Na rysunku 19 pokazano mikrostruktury stopu AK11:

a,b - stop niemodyfikowany; c,d -modyfikowany 0,1% Sr.

Na fotografiach rysunku 19 wida dla stopu niemodyfikowanego

due, grube igy krzemu eutektycznego pomidzy ramionami den-

drytw a (Al). W stopie zmodyfikowanym mona zauway bardzo

rozgazione krysztay krzemu midzy ramionami dendrytw fa-

zy a [ 23).

a) c)

500x 500x

b) d)

lOOOx lOOOx

Rys.19. Mikrostruktury stopu AK11 wykonane na mikroskopie

skaningowym: a,b - stop niemodyfikowany; c,d - stop

modyfikowany 0,1% Sr (23].

- 35 -

Interesujce s skaningowe zdj~cia niemodyfikowanego i

modyfikowanego strontem stopu AK64 przedstawione na rysunku 20.

Fotografie a oraz b przedstawiaj stop niemodyfikowany z duy

mi, wyranymi krysztaami krzemu na tle fazy a(Al); mona tutaj

take zauway faz~ AL2cu. Szczeglnie dobrze jest ona widoczna

na zdj~ciu a, w postaci grzebieniastej. Na rysunku c oraz d

przedstawiono struktur~ stopu zmodyfikowanego 0,05% Sr . Wyra-

znie s widoczne rozgal~zione krysztay krzemu oraz szkieletowa

faza Al2cu (rys.20d) [23].

a) c)

500x 500x

b) d)

1000x 1000x

Rys.20. Mikrostruktury stopu AK64 wykonane na mikroskopie

skaningowym: a,b - stop niemodyfikowany; c,d - stop

modyfikowany 0,05% Sr [23].

- 36 -

Wedug Halmanowej [52) krysztal krzemu eutektycznego w silumi-

nie niemodyfikowanym ma ksztat rozety, ktrej rozgal~zienia

rozrastaj si promieniowo z jednego punktu, ktry jest zarod-

kiem krystalizacji. Wraz z faz a(Al) wypeniajc przestrzenie

mi~dzy rozgal~zieniami rozetowych krysztaw s i, tworz . one oddzielne ziarna eutektyczne (rys2la). W ten sposb wedug

Halmanowej powstaje struktura eutektyki pytkowej. Mona std

wycign wniosek, e obserwowane na zgadzie metalograficznym

pojedyncze pytki krzemu s w istocie widokiem na przeci~cia -

paszczyzn zgadu - cigych, pytkowo-szkieletowych kryszta-

w krzemu w ziarnach eutektycznych. Parametrami, ktre charak-

teryzuj szkielet, s jego wymiary liniowe, np. odlego mi~

dzy jego odgal~zieniami, co stanowi odlego mi~dzyfazow

eutektyki. W zwizku z tym nie mona na podstawie liczby prze-

ci~ ramion tego szkieletu (widocznych na zgadach jako kry-

sztay Si) - wnioskowa o liczbie zarodkw krzemu eutektyczne-

go.

b)

Rys.21. Schemat wzrostu krysztaw eutektycznego krzemu:

a) w siluminie niemodyfikowanym,

b) w siluminie modyfikowanym sodem lub strontem [50).

Obserwacja przestrzennych obrazw krysztaw eutektycznego

krzemu uzyskanych po modyfikacji strontem na mikroskopie ska-

ningowym (rysunki: 18c,d; 19c,d; 20c,d) wskazuje, e bardzo

drobne wydzielenia tej fazy nie s take krysztaami, lecz

przekrojami cigych wknisto-koralowych szkieletw utworzo-

nych przez krysztay Si . Schemat wzrostu krysztaw krzemu

w stopach modyfikowanych przedstawiono wedug Halmanowej [52)

na rysunku 2lb.

- 37 -

Wedug Halmanowej [52] wyra~na zmiana morfologii kryszta-

w Si, przedstawiona jako charakterystyczna cecha struktury

prawidowo zmodyfikowanej (uszlachetnionej) polega przede

wszystkim na przeksztaceniu postaci szkieletu z pytkowej na

wknist o znacznie wi~kszym stopniu rozgal~zienia.

1.5. Krystalizacja i struktura siluminw nadeutektycznych

Wedug wykresu rwnowagi (rys.l) ukadu Al-Si, krysta-

lizacja siluminw nadeutektycznych powinna przebiega w dwch

etapach. W temperaturze likwidusu wydzielaj si~ krysztay

pierwotne fazy B(Si). Po osigni~ciu temperatury eutektycznej,

krystalizuje eutektyka a(Al)-B(Si).

Rzeczywisty proces krystalizacji - modyfikowanych fosforem

siluminw nadeutektycznych - nie odbiega w istotny sposb od

warunkw rwnowagowych. Fotwierdza to analiza termiczna, nie

wykazujc przechodzenia krystalizacji pierwotnej i eutekty-

cznej (rys.22) [84]. Na rysunku tym pokazano rwnie struktur~

tego stopu, w ktrej wida pierwotne krysztay krzemu na tle

eutektyki a(Al)-B(Si).

Uatwione zarodkowanie pierwotnych krysztaw krzemu wyja-

nia si~ obecnoci w ciekym stopie heterogenicznych zarodkw

AlP i obecnoci klasterw typu (Si-Si). Pzniej wydzielone ju

pierwotne krysztay krzemu uatwiaj krystalizacj~ eutektyki

a(Al)-B(Si).

Krystalizacja siluminw nadeutektycznych niemodyfikowanych

fosforem przebiega inaczej, co wyra~nie wida na krzywych ATO

(rys.23) [84]. Na krzywej T=f(t) wida wyra~nie wyst~pujce

przechodzenie krystalizacji pierwotnej wskutek braku zarodkw

heterogenicznych AlP. Ujawnia si~ to rwnie na piku krzywej

dT dT d dt . Na krzyweJ dt - na tym rysunku wyst~puJe r wn~ez rug~

pik, ktry autorzy Pietrowski i Wadysiak [84] tumacz nast

pujco: w niemodyfikowanym siluminie wyra~nie nadeutektycznym,

po pierwotnej krystalizacji fazy B(Si), rozpoczyna si~ przed-

eutektyczna krystalizacja fazy a(Al) , zuboonego bardzo mocno

w krzem - pierwotnie wydzielony w duych krysztalach - cieklego

- 38 -

stopu w otoczeniu powstaych duych krysztaw pierwotnego

krzemu. Przedstawiona hipoteza jest bardzo interesujca, ale

napewno wymaga to jeszcze przeprowadzenia dalszych bada.

u o

a L

::J +-' o L Q) 0...

E Q)

+J

900 r-----------------------------------,

800

700

600

500

l

--'--------L---1 l

l

-------~--------'--------1 l

l l

l l l

--~--------'--------L---1 l l l

-----~--------'--------L l l l l l l l l

: .: 1 TE1 TE

(/)

......... o u o

+-' -o -1'-....

o L :::J

........ o

-2 L Q) Q.

E Q)

-3 =o

Rys.22. Struktura (pow.100x) i krzywe ATD siluminu nadeutekty-

cznego (17,46% Si) modyfikowanego fosforem po 10 min od

momentu wprowadzenia fosforu [84].

900 ' l

- 40 -

Rys.24 . Struktury siluminu nadeutektycznego AK20: a) struktura

stopu niemodyfikowanego, b) struktura stopu modyfikowa-

nego fosforem (89].

lenia kruchej fazy B(Si) (rys.24) (89], utrudniaj obrbk

skrawaniem odleww (gwnie tokw) uszkadzajc narzdzia.

Krysztay te mog ulega wykruszaniu powodujc na powierzchni

odlewu powstawanie jamistych por. Uniemoliwia to spenienie

wymagafi gadkoci powierzchni i dokadnoci wymiarowej odleww

- przewanie tokw. Dlatego siluminy nadeutektyczne s stoso-

wane w stanie zmodyfikowanym fosforem. Po modyfikacji wydzie-

lenia krzemu pierwotnego s znacznie rozdrobnione o zwartym

ksztacie poliedrycznym, do rwnomiernie rozoone w osnowie

nieregularnej eutektyki pytkowej a(Al)-B(Si) (rys . 24) [89].

Na rys. 25 wg Poniewierskiego ( 89) pokazano zrnicowane

formy geometryczne pierwotnych krysztaw krzemu, zalenych od

warunkw przetapiania niemodyfikowanego s i luminu nadeutekty-

cznego zawierajcego 23% Si (89).

Zalenie od zastosowanej temperatury i czasu, w ktrych

przetrzymuje si stop po przetopieniu - jak wida na rys.25 -

struktury mog by rne. Najkorzystniejsz struktur pokazano

na rys. 25d, gdzie otrzymano rozdrobnienie i do rwnomierne

rozoenie pierwotnych krysztaw krzemu.

Przetrzymanie stopu w odpowiednio wysokiej temperaturze

i odpowiednio dugim czasie powoduje cakowite przejcie w roz-

twr cieky duych krysztaw krzemu znajdujcych si w suro-

wym stopie. Jeeli warunki dostatecznie wysokiej temperatury

- 41 -

Rys.25. Przykady form geometrycznych krysztaw pierwotnych

krzemu, wyst~pujcych w zalenoci od warunkw prze-

tapiania siluminu nadeutektycznego zawierajcego 23%

Si: a) struktura materialu wyjciowego (przed prze-

topieniem), b) struktura prbki po przetopieniu

i przetrzymaniu w temperaturze 750C przez 30 min,

c) obraz krysztalu pierwotnego Si z mi kroskopu ska-

ningowego, odpowiadajcy strukturze b, d) struktura

prbki po przetopieniu i przetrzymaniu w temp. 800C

przez 60 min [89].

i wystarczajco dugiego czasu przetrzymania nie s spenione,

to w ciekym stopie pozostan resztki najwi~kszych pierwotnych

krysztaw krzemu, ktre wyst~puj w stopie wyjciowym. Stano-

wi one najaktywniejsze miejsca, do ktrych przyczaj si~

atomy krzemu podczas krystalizacji stopu. Powoduje to powsta-

wanie nielicznych, ale duych krysztaw krzemu, w uprzywilejo-

wanych kierunkach, tworzc charakterystyczne gwiazdy krzemowe

z wskimi, dugimi ramionami [89].

Ze wzgl~du na trudn rozpuszczalno krzemu w aluminium,

konieczne jest przekroczenie krytycznych wartoci temperatury

- 42 -

i czasu przetrzymania stopu, nast~puje wtedy cakowite przej-

cie do cieklego stopu rozpuszczajcych si~ resztek krysztaw

krzemu. Powtrny proces krystalizacji pierwotnej rozpoczyna si~

na heterogenicznych zarodkach pochodzcych z przypadkowych

zanieczyszcze lub celowo wprowadzonych aktywnych orodkach

krystalizacji (modyfikatorach). Podczas krystalizacji takiego

stopu, ksztaty geometryczne i wielko pierwotnych krysztaw

krzemu s zalene od szybkoci chodzenia oraz iloci zarodkw

krystalizacji - pochodzcych np. od modyfikacji fosforem.

Z tych wzgl~dw, dla siluminw nadeutektycznych zaleca si~

stosowa przy ich przetapianiu temperatur~ nie nisz ni 800C

i przetrzymanie stopu przez co najmniej 30 min. Okrelenie

waciwej temperatury i czasu zaley od wielkoci krysztaw

pierwotnego krzemu wyst~pujcych w stopie wyjciowym [89].

Sama modyfikacja fosforem moe odbywa si~ w temperaturze

niszej, ale jej skuteczno zaley od uprzedniego cakowitego

przeprowadzenia krzemu w roztwr cieky, co wyrnaga odpowiednio

wysokiej temperatury i odpowiednio dugiego czasu przetrzymania

w niej przetopionego stopu.

Najlepszym rozwizaniem zagadnienia otrzymania korzystnych

efektw modyfikacji w odlewniach, jest odpowiednie przygotowa-

nie stopu ju w przetwrstwie hutniczym tak, aby otrzyma ju

stop wyjciowy o odpowiednio rozdrobnionym krzemie pierwotnym

[ 89] .

Rzadziej wyst~pujce w siluminach nadeutektycznych struk-

tury wyst~puj w stopach zanieczyszczonych sodem. Wpyw sodu

jest odwrotny ni fosforu, gdy sd wpywa na tworzenie si~

duych pierwotnych krysztaw krzemu. Zjawisko to tumaczy si~

zwi~kszeniem lepkoci stopu, ktra utrudnia proces krystaliza-

ej i, powodujc hamowanie dyfuzji nowych atomw krzemu przez

warstw~ cieczy ubog w krzem, otaczajc wzrastajcy krysztal.

Zalenie od zawartoci sodu, a tym samym od lepkoci cieklego

stopu, powstaj w ten sposb due pierwotne krysztay krzemu:

albo dendrytyczne - dla maych zawartoci sodu (O, 05%) , albo

kuliste - dla wi~kszych zawartoci sodu (1%) [75, 89]. Ten

mechanizm dziaania sodu podczas krystalizacji siluminw jest

wanie wykorzystany przy modyfikacji sodem eutektycznych silu-

minw pod- i okoloeutektycznych.

- 43 -

Struktury uzyskiwane pod wpywem sodu pokazano na rysun-

kach 26 i 27 [89].

Rys.26. Struktury siluminu nadeutektycznego (20% Si), uzyskane

po wprowadzeniu do stopu 0,05% Na: a) odlew w formie

piaskowej, b) odlew kokilowy [89] .

Rys.27. Struktury siluminu nadeutektycznego (20% Si), uzyskane

po wprowadzeniu 1% Na: a) odlew w formie piaskowej,

b) odlew kokilowy [89].

Dla malej zawartoci sodu krawdzie i naroa rosncego

krysztalu dochodz do strefy cieklego stopu bogatej w krzem,

a ciany paskie pozostaj w strefie ubogiej w krzem wskutek

wydzielenia si krzemu do tego krysztau. Dlatego tylko te

wystajce czci krysztalu mog swobodnie si rozrasta

i w zwizku z tym tworzy si budowa krzemu zbliona do dendry-

tycznego (rys.26) [75].

- 44 -

Dla duej lepkoci stopu - przy wikszej zawartoci sodu -

strefa cieczy zuboonej w krzem, ktra otacza rosncy kryszta,

jest znacznie wiksza. Wtedy krawdzie i naroa krysztau nie

maj kontaktu z ciekym stopem o normalnej zawartoci krzemu,

co powoduje wzrost krysztau w warunkach rwnego stenia,

tworzc kryszta krzemu w ksztacie kulistym.

Poniewierski rwnie podaje, e czne wprowadzenie fosfo-

ru i sodu w odpowiednich proporcjach moe sprzyja bardziej

rwnomiernemu wydzielaniu si pierwotnych, bardziej rozdrobnio-

nych krysztaw krzemu oraz powodowa rwnoczesn modyfikacj

eutektyki, co polepsza waciwoci mechaniczne odleww z silu-

minw nadeutektycznych (89].

Jak wiadomo, podobne do dziaania w siluminach sodu jest

dziaanie strontu, naley wic sdzi, e dodatek strontu spo-

woduje podobne dziaanie jak sd, ale znacznie trwalsze.

Poniewierski podaje, e w.w. struktury na rysunkach 26 i 27

wystpuj w stopach zanieczyszczonych sodem (89]. Autor niniej-

szej pracy sdzi, e nie mona mwi o zanieczyszczeniu stopu

so~em, a tylko o celowym jego dodatku. Zgodnie z wczeniejszym

stwierdzeniem Poniewierskiego o koniecznoci przetrzymania

stopu w temperaturze co najmniej 800C i czasie minimum 30 min,

musi nastpi cakowite wyparowanie sodu (89] . Dlatego autor

ninie1szej pracy uwaa, e bardziej celowe byoby czenie

modyfikacji fosforem z modyfikacj strontem, co wymagaoby

jednak przeprowadzenia dalszych bada . Naley przy tym pami

ta, e dziaanie sodu jak i strontu nie sprowadza si tylko do

wzrostu lepkoci stopu i utrudniania rozrastania si krysztaw

krzemu, ale rwnie do neutralizacji fosforu w postaci zwizku

AlP, co take bdzie wpywa na ilo i budow krysztaw krze-

mu pierwotnego.

- 45 -

2. KLASYFIKACJA SILUMINW

Najbardziej rozpowszechni one w odlewnictwie stopw alumi-

nium, to stopy aluminium z krzemem nazywane u nas siluminami.

Obok krzemu siluminy mog zawiera dodatki miedzi, cynku,

magnezu, niklu i manganu. Zawarto miedzi w siluminach moe

wynosi 0,5+5%, cynku 5+12%, magnezu 0,2+1,5%, niklu 0,5+3%

i manganu 0,2+0,5%. Siluminy z zawartoci miedzi ~ 2% s nazy-

wane siluminami miedziowymi, z zawartoci cynku ~ 5% - silumi-

nami cynkowymi.

Siluminy maj dobre waciwoci mechaniczne, ma gsto,

stosunkowo nisk temperatur topnienia, dobr e p rzewodnictwo

cieplne i elektryczne, wykazuj dobre waciwoci odlewnicze -

dobr lejno, may skurcz dobr obrabialno i znaczn

odporno na korozj.

Zastosowanie siluminw ma miejsce gwnie w przemyle

maszynowym - motoryzacja, gospodarstwo domowe, lotnictwo, prze-

mys precyzyjno-optyczny.

Niektre z siluminw odznaczaj si do specyfic znymi

cechami, co powoduje ich stosowanie na toki i gowice silni kw

spalinowych.

Klasyfikacj siluminw mona przeprowadzi z punktu widze-

nia zawartoci krzemu lub zastosowa przemysowych dla rnych

wrobw.

Wg wykresu rwnowagi ukadu Al-Si (rys.10) klasyfikuje si

siluminy na podeutektyczne zawierajce 4+10% Si, okooeutekty

czne o zawartoci 10+13% Si i nadeutektyczne z zawartoci

17+2 6% S i ;mog zawiera one rwnie wyej wymienione dodatki

stopowe oraz rne zanieczyszczenia.

Poszczeglne dodatki stopowe wywieraj rny wpyw na

waciwoci siluminw.

Miedz przez umocnienie fazy a(Al) podwysza wytrzymao

na rozciganie, zwiksza twardo, polepsza skrawalno i od-

porno na obcienia cieplne. Zmniejsza wyduenie i pogarsza

odporno na korozj.

- 46 -

cynk - podobnie jak miedz - podwysza znacznie wytrzyma-

o na rozciganie i twardo, polepsza skrawalno. Zmniejsza

wyduenie i moe pogorszy nieco odporno na korozj~. W ilo-

ciach maych (0,05+2%) jest zanieczyszczeniem; w ilociach

wi~kszych (>5%) jest skadnikiem stopowym.

Magnez powoduje powstawanie w stopie zwizku z krzemem

Mg2si, ktry posiada zmienn rozpuszczalno w roztworze staym

a(Al), co umoliwia obrbk~ ciepln odleww siluminowych.

Obrbka cieplna - przesycanie i starzenie - powoduje znaczne

zwi~kszenie ich twardoci, granicy plastycznoci i wytrzmaoci

na rozciganie.

Nkiel - bardziej ni miedz - pozwala zapobiec pogorszeniu

waciwoci mechanicznych w podwyszonej temperaturze.

Mangan neutralizuje szkodliwy wpyw zanieczyszcze stopw

elazem na ich waciwoci mechaniczne, przez zmian~ morfologii

wydzielonych kruchych faz zawierajcych elazo. Niekorzystna

forma faz zawierajcych elazo w postaci dugich igie, zmienia

si~ w formy drobnych zwartych krysztaw, ktre s mniej szko-

dliwe dla waciwoci mechanicznych.

Krzem, ktry jest podstawowym skadnikiem stopowym silumi-

nw, wywiera zasadniczy wpyw na ich dobre waciwoci odlewni-

cze, ktre s naj lepsze dla zawartoci krzemu zblionej do

eutektycznej . Wraz ze wzrostem zawartoci krzemu zmniejsza si~

warto wspczynnika rozszerzalnoci cieplnej siluminw. Ma to

szczeglnie due znaczenie w stosowaniu siluminw wysokokrzemo-

wych na cz~ci uytkowane w podwyszonej temperaturze, gdzie

musz by spenione wymagania dotyczce dopuszczalnych zmian

wymiarowych pod wpywem zmian temperatury (toki silnikowe).

Zanieczyszczenia siluminw to: elazo, cyna, ow i cynk,

przyczym ten ostatni skadnik - jak wspomniano wyej - w iloci

> 5% moe by take skadnikiem stopowym.

Wg normy PN-76/H-88027 zawierajcej gatunki odlewniczych

stopw aluminium w zalenoci od rodzaju siluminw i ich zasto-

sowa najwi~ksze zawartoci zanieczyszcze s nastpujce:

Fe = 0,4+1,4%, Zn = 0,05+2%, Sn = 0,01+0,1% i Pb = 0,05+0,3%. W niektrych stopach: AK11, AK9 i AK7, take miedz jest

traktowana jako zanieczyszczenie, a jej zawarto dopuszcza si

w granicach cu = 0,05+0,8%.

- 47 -

W w.w. normie nie ma stopw, ktre s u nas stosowane wg

norm branowych, take stopw licencyjnych. Wg oznacze stoso-

wanych u nas, wszystkie stopy, w ktrych przewaajcym skadni

kiem stopowym jest krzem, s oznaczane symbolem AK (aluminium,

krzem). Autor w niniejszej pracy zaliczy rwnie do siluminw

stop wst~pujcy w normie branowej pod symbolem ACll (alumi-

nium, cynk) dlatego, e obok cynku wyst~pujcego w nim w ilo-

ciach 7+12%, jest w nim znaczna ilo krzemu 6+8% . Z punktu

widzenia zawartoci krzemu jest to stop podeutektyczny, a jego

struktura jest analogiczna, jak siluminw podeutektycznych

(fazy a(Al)+B(Si)).

ze wzgl~du na zastosowania siluminy mona sklasyfikowa na

dwie zasadnicze grupy:

l) stopy stosowane w konstrukcji maszyn o bardzo wszechstronnym

zastosowaniu: na gowice, pokrywy i kaduby silnikw spali-

nowych i elektrycznych, korpusy pomp, tarcze k samochodo-

wych, cz~ci w aparatach precyzyjno-optycznych, gospodarstwa

domowego itp.; cz~ci te s uytkowane w temperaturach nie

przekraczajcych 100C;

2) stopy o specjalnym przeznaczeniu - na toki silnikw spali-

nowych - ktre musz spenia odpowiednie wymagania w zakre-

sie waciwoci technologicznych i stabilnoci wymiarowej

w podwyszonych temperaturach.

W grupie pierwszej znajduj si siluminy znormalizowane

w PN-76/H-88027: AKll, AK9, AK7, AK64, AK52 i AK51 oraz w nor-

mie branowej: AK62*, AK132, AK121, AK104, AK53 i zaliczony do

nich przez autora opracowania ACll. Skad chemiczny wymienio-

nych stopw podano w tablicy 5. W tablicy 6 podano ich waci

woci mechaniczne. S to stopy podeutektyczne i okooeutekty

czne.

w grupie drugiej znajduj si stopy AK12, AKlO i AK102 okooeutektyczne i AK20 - wyranie nadeutektyczny. W tablicach

7 i 8 podano ich skady chemiczne i waciwoci mechaniczne.

Stopy pierwszej grupy musz si~ odznacza okrelonymi

waciwociami mechanicznymi w temperaturze otoczenia.

Natomiast siluminy grupy drugiej (tokowe) musz spenia

*) stop obecnie nie produkowany

Tablica 5. Zawartoci skadnikw stopowych w krajowych siluminach oglnego przeznaczenia

Gatunek stopu Skad chemiczny

znak cecha S i C u Mg M n Z n Fe Al Uwagi

AlSill AKll 10,0+13,0 - - - - 0,7+1,4 reszta A1Si9Mg AK9 8,5+10,5 - 0,2 +0,4 0,25+0,5 - 0,5+1,0 reszta A1Si7Mg AK7 6,0+ 8,0 - 0,2 +0,4 0,1 +0,5 - 0,5+1,0 reszta wg

PN-76/H-88027 A1Si6Cu4 AK64 5,0+ 7,0 3,0 +5,0 - 0,3 +0,6 - 1,0+1,5 reszta

A1Si5Cu2 AK 52 4,0+ 6,0 1,5 +3,5 0,2 +0,8 0,2 +0,8 - 0,9+1,4 reszta

A1Si5Cu1 AK51 4,5+ 5,5 1,0 +1,5 0,35+0,6 0,2 +0,5 - 0,5+1,2 reszta

A1Si12Cu2Fe AK132 11,0+12,5 1,75+2,5 - - - 0,7+1,1 reszta AlSi10Cu4FeMn AK104 9,0+11,0 3,0 +4,0 - 0,3 +0,6 - 0,5+1,3 reszta

wg

AlSi8Cu4MgMn AK84 7,0+ 8,3 3,8 +4,8 0,5 +0,7 0,4 +0,6 - Ti 0,1+0,25 reszta ZN-86/MH-MN--260-14

A1Si5Cu3Mn AK53 4,0+ 6,0 2,0 +4,0 0,03+0,15 0,2 +O, 6 - - reszta AlZn9Si7 ACll 6,0+ 8,0 - 0,1 +0,3 - 7,0+12,0 - reszta

""' 00

- 49 -

Tablica 6 . Waciwoci mechaniczne krajowych siluminw oglnego

pr zeznaczenia

Waciwoci mechaniczne Cecha Sposb Rodz.obr . stopu odlew. cieplnej

Ra,2 ~min As Uwagi l) 2) HB min MPa MPa '

l 2 3 4 5 6 7 8

l p - 80 160 2 50 lk - 90 180 3 55

AK11 l p te - 180 6 50 l k te - 200 6 55 l c - 140+200 220+280 1+4 60+80 l p - 90 170 2 55 lk - 100 180 2 60

AK9 l p t b 180 230 1,5 70 lk t b 200 240 1,5 80 lk t d - 210 1,5 70 l c - 140+200 220+300 2+5 65+80 l p - 90 160 2 50 lk - 110 160 2 60 wg

AK7 l p t e 90 180 4 50 1k te 90 190 4 60 PN-76/H-1p t b 120 200 2 60 -88027 1 k t b 130 210 2 65

1p - 100 160 l 60 AK64 lk - 110 170 l 70

1c - 1 50+220 220+300 2+4 70+110 1p - - 160 l 65 1k - - 170 l 70

AK62 1p t d - 170 l 70 1 k t d - 1 70 0,5 70 1p t b - 220 0,5 75 1k t b - 240 0 , 5 75 1p - 100 160 l 65 lk - 120 180 l 70 1p t e - 170 1,5 65

AK51 1 k te - 200 2 65 1p t d 90 160 0,5 65 1k t d 110 160 0,5 65 1p t b 160 210 0,5 70 1k t b 200 230 0,5 75

AK132 1c - 160 260 1,5 85+100 AK104 lk,1c - - 180 l 80

lk - - 225 l -AK84 1k ta - 250 1,3 - wg

1k t b - 2 50 l -lk t d - 210 l - ZN-86/MH-l p - 70+110 140+170 2+3 65 +80 -MN-2 60-06 1p t b 200+300 230+290 0+2 90+120

AK53 1k - 80+110 160+220 2+4 70+90 1k ta - 220 4 75+100 1k t b 200+300 280+370 1+5 90+120

AC11 1p - - 200 2 80 1k - - 250 1,5 90

- 50 -

1) Oznaczenia wg PN-71/H-01706:

lp - odlewane w formach piaskowych,

lk - odlewane w kokilach,

lc - odlewane pod cinieniem;

2> Oznaczenia rodzajw obrbki cieplnej wg PN-71/H-01706: ta - przesycanie i starzenie naturalne,

tb - przesycanie i starzenie sztuczne,

td - starzenie sztuczne,

te - przesycanie.

Tablica 7. Zawarto skadnikw stopowych krajowych siluminw

tokowych

Gatunek stopu Sk~ad chemiczny

znak cecha S i C u Mg H n Ni Al Uwagi

AlSi21CuNi AK20 20,0+23,0 1,1+1,5 0,5+0,9 0,1+0,3 0,8+1,1 reszta wg PN-76/H-

-88027 AlSi13HgCuNi AK12 11,5+13,0 0,8+1,5 0,8+1,5 - 0,8+1,3 reszta

Al S i 10Cu2Mg1Ni 1 AK102 9,5+10,5 2,0+2,5 0,8+1,2 - 0,8+1,2 reszta wg ZN-86/MH-- HN-260-14

Al S i 10Mg1Cu1Ni AK10 10,2+11,3 0,8+1,2 1,0+1,4 - o, 7+1,0 reszta

Tablica 8. Waciwoci mechaniczne krajowych siluminw

tokowych

Waciwoci mechaniczne Cecha Sposb Rodzaj obr. stopu odlewania cieplnej R" min A5

Uwagi l) 2) HB min

MPa %

l 2 3 4 5 6 7

AK20 lk t d 170 0,3 90 lk t b 200 0,2 90 wg

AK12 lk t d 200 0,5 95 PN-76/H-88027 lk t b 220 0,2 95

AK102 lk t b 250 0,5 95 lk - 240 0,3 95 wg

ZN-86/MH-MN-AK lO lk - 210 - 85 -260-14

lk t b 260 - 85

- 51 -

dodatkowe wymagania obrabialnoci, stabilnoci wymiarowej, od-

pornoci na cieranie i waciwoci mechanicznych w podwyszonych temperaturach .

Na waciwoci mechaniczne siluminw zasadniczy wpyw

wywiera ich struktura. Gwnymi skadnikarni strukturalnymi

siluminw s roztwr krzemu w aluminiurn - faza a (Al), ktra

moe by bardziej lub mniej plastyczna w zalenoci od ewen-

tualnych skadnikw stopowych i obrbki cieplnej. Drugim pod-

stawowym skadnikiem jest aluminiurn w krzemie - praktycznie

krzem- faza B(Si), ktra odznacza si~ twardoci i kruchoci.

Stanowi ona waciwie niemetalowe wtrcenia w metalow osnow~

fazy a(Al). Dlatego niektrzy autorzy zaliczaj siluminy- po-

dobnie jak eliwo (wtrcenia grafitowe) - do grupy naturalnych

kornpozytw.

Dla uzyskiwania poprawy waciwoci mechanicznych silurni-

nw - obok dodatkw stopowych - stosuje si~ zmiany struktury

przez jej rnodyfikacj~ oraz ewentualn obrbk~ ciepln.

2.1. Stopy Al-Si

Siluminy dwuskadnikowe zawieraj krzem w iloci zblionej

do eutektycznej wg wykresu Al-Si (rys.l) i zalicza si je do

siluminw okooeutektycznych [89]. Zawarto w nich krzemu wy-

nosi 10+13,5% Si. W Polsce tego typu stopem jest AKll (AlSill).

Stopy okooeutektyczne charakteryzuj si~ najlepszymi

waciwociami odlewniczymi wynikajcymi z ich krystalizacji

w niemal stalej temperaturze. Wynikiem tego jest dobra lejno

i tworzenie skupionej jamy skurczowej. Wykazuj one rwnie

niewielki skurcz liniowy ok. 1,15% w okresie krystalizacji, co

zmniejsza moliwo powstawania wad typu naderwa i innych

defektw skurczowych.

Ze wzgl~du na znaczn zawarto krzemu, dla uzyskania

prawidowej struktury konieczne jest stosowanie modyfikacji dla

umoliwienia osigni~cia najkorzystniejszej postaci fazy B(Si).

Mog tu by stosowane cztery rodzaje modyfikatorw: fosfor,

sd, stront i antymon.

- 52 -

Z punktu widzenia waciwoci odlewniczych najko-

rzystniejsza jest modyfikacja fosforem. Stop ma bardzo dobr

lejno - najlepsz ze wszystkich siluminw - co pozwala wyko-

nywa skomplikowane cienkocienne odlewy, ktre wykazuj du

szczelno. Wad modyfikacji fosforem jest pogorszenie obra-

bialnoci ze wzgldu na wystpowanie ziarnistej eutektyki

a(Al)+B(Si) oraz pewnych iloci wydziele pierwotnego krzemu.

Prowadzi to take do uzyskiwania gorszych waciwoci mechani-

cznych tych stopw, w porwnaniu do ich modyfikacji sodem,

strontem czy antymonem. Zmian ksztatw krzemu eutektycznego

i zmniejszenie odlegoci midzyfazowej powoduje modyfikacja

sodem i strontem, natomiast po modyfikacji antymonem nastpuje

tylko zmniejszenie odlegoci midzyfazowej eutektyki bez

zasadniczej zmiany budowy krzemu eutektycznego.

Dlatego siluminy okooeutektyczne modyfikowane fosforem

mog by stosowane na cienkocienne, skomplikowane odlewy, od

ktrych nie wymaga si odpornoci na due obcienia mecha-

niczne. Wytrzymao ich na rozciganie Rm150 MPa, A5 4% [89].

Wiksze wytrzymaoci i wyduenie mona osign dla tych

siluminw przez ich zmodyfikowanie Na, Sr, Sb. Waciwoci te

s take w duej mierze zwizane z szybkoci odprowadzania

ciepa podczas krzepnicia, co wie si z rodzajem formy

odlewniczej, w ktrych s odlewane (piaskowa, kokila, cinie

niowa). Wytrzymao na rozciganie dla stopu AK11 odlewanego

do formy piaskowej wynosi Rm=160 MPa przy wydueniu A5=2%, dla

kokili Rm=220+280 MPa, A5=3%, a cinieniowo Rm=220+280 MPa,

A5=1+4% [PN-76/H-88027]. Autor niniejszego opracowania otrzyma

dla stopu AK11 modyfikowanego sodem, strontem i antymonem,

odlewanego do kokili Rm=200+215 MPa, A5=6+12% i HB,.55. Naj-

wiksze wyduenie osignito po modyfikacji Sb, najmniej s ze

dla Na [117] (patrz rozdzia 4).

Odleww z siluminw okooeutektycznych (AK11) nie poddaje

si w zasadzie obrbce cieplnej. Jednake dla polepszenia ich

wasiwoci plastycznych i niewielkiego podwyszenia wytrzyma-

oci na rozciganie, stosuje si przesycanie, przede wszystkim

dla spowodowania fragmentacji i sferoidyzacji krysztaw krzemu

eutektycznego oraz zwikszenia nieco zawartoci krzemu w fazie

a [89, PN-76/H-88027]. Mona wtedy uzyska trzykrotne zwiksze-

- 53 -

nie A5 dla odleww kokilowych. Zwie;kszenie wytrzymaoci na

rozciganie jest rzdu 10% [PN-76/H-88027). Stosowanie przesy-

cani a ma sens tylko wtedy , jeeli stop by modyfikowany, powo-

dujc odpowiedni przebudow krzemu eutektycznego w stosunku do

stopu niemodyfikowanego.

Zmi any twardoci HB zalenie od sposobu odlewania (forma

piaskowa, kokila) s niewielkie (-10%), jedynie dla odlewania

cinieniowego jest wzrost HB o okoo 50%. Przesycanie nie powo-

duje zmian twardoci [PN-76/H-88027), wynika to ze znikomego

przesycenia krzemem roztworu stalego a(Al), od ktrego zaley

warto twardoci.

2 . 2. Stopy Al-Si-Mg

Siluminy podeutektyczne zawierajce poniej 10% Si s

najcze;ciej stosowane jako stopy potrjne Al-Si-Mg.

Obecno niewielkich iloci magnezu w tych stopach pozwala

na przeprowadzanie ich obrbki cieplnej i podwyszenie tym

sposobem ich waciwoci mechanicznych. Moliwo przeprowadze-

nia obrbki cieplnej stopw zawierajcych magnez wynika z tego,

e tworzy on z krzemem zwizek Mg2si, ktry ma zmienn z tempe-

ratur rozpuszczalno w roztworze staym a(Al). Na rys.28 po-

kazano cz wykresu rwnowagi pseudopodwjnego ukadu rwnowa-

gi Al-Mg2Si. Najwiksza graniczna rozpuszczalno tego zwizku

w roztworze staym a(Al) wynosi 1,85% w temperaturze eutekty-

cznej 595C i zmniejsza si wraz z obnianiem sie; temperatury

do okoo 0,2% w temperaturze otoczenia. Wynika z tego, e tylko

niewielka ilo magnezu - poniej 1,2% - moe bra udzia

w procesie przesycania i starzenia. W zwizku z tym stopy po-

trjne Al- Si-Mg zawieraj dodatek magnezu tylko w iloci 0,2+

+O, 6%. W praktyce odlewniczej s to u nas gwnie dwa stopy:

AK7 (Al S i 7Mg) oraz AK9 (AlSi9Mg) . Zawarto magnezu w tych

stopach wynosi wg PN-76/H-88027 0,2+0,4%. Magnez wystpuje

take i w innych stopach aluminium z krzemem - w siluminach

miedziowych (AlSiCuMg) i w siluminach cynkowych (AlZnSiMg).

W innych krajach [60) znane s rwnie stopy potrjne Al-

-Si-Mg okooeutektyczne zawierajce 9+11% Si i 0,15+0,50% Mg.

- 54 -

l o c 600 l"':t.ss 5950C - r-- t--

~l l

~00

200

o l %At

1~1

6 8 10 12 14 % l1gzSi

Rys.28. cz~ wykresu rwnowagi pseudopodwjnego ukadu

Al-Mg2Si [ 89] .

Stopy te znajduj si~ w normach ISO 3522 AlSilOMg, Szwajcarii

VSM 10905 G-AlSilOMg, Austrii ONORM M2429 AlSilOMg, Niemczech

DIN 1725 G-AlSilOMg, Hiszpanii, W~grzech, Norwegii i Szwecji

oraz Kanadzie i USA. Naszego odpowiednika wrd tego typu sto-

pw nie ma, gdy stop AKlO (AlSilOMglCulNi) jest innym stopem,

zawiera bowiem miedz, wi~cej magnezu i nikiel; zalicza si~ go

do stopw tokowych, a nie oglnego przeznaczenia (tabl.?).

Siluminy zawierajce magnez i krzem w iloci okooeutekty

cznej - jak np. AlSilOMg stosowany za granic - mog mie podo-

bnie dobre waciwoci odlewnicze, jak okooeutektyczne silumi-

ny dwuskadnikowe, a w kadym razie niewiele gorsze. Przedzia

temperatur krzepnicia b~dzie dla nich niewielki i mog nie

tworzy rozproszonej porowatoci skurczowej.

Siluminy podeutektyczne zawierajce magnez mog, ze wzgl~

du na mniejsz zawarto krzemu i poszerzony zakres temperatur

krzepni~cia, mie gorsz lejno i skonno do tworzenia roz-

proszonej porowatoci skurczowej. Jednake stopy te dziki

zawartoci magnezu , mog by obrabiane cieplnie i w zwizku z

tym maj lepsze waciwoci

maj lepsz wytrzymao na

mechaniczne. Po obrbce cieplnej

rozciganie, wiksz twardo

- 55 -

i lepsz plastyczno.

Uzyskiwane waciwoci mechaniczne tych stopw, w naszych

warunkach AK9 i AK7, bez obrbki cieplnej s zblione do

waciwoci AKll (tabl.6). Dopiero po obrbce cieplnej stopy te

osigaj waciwoci mechaniczne wiksze.

Oglnie mona stwierdzi, e waciwoci mechaniczne sto-

pw typu A1Si9Mg i A1Si7Mg zale od zawartoci magnezu, mody-

fikacji stopu, warunkw obrbki cieplnej i zanieczyszcze inny-

mi skadnikami (Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Sn).

Wzrost zawartoci magnezu powoduje po obrbce cieplnej

zwikszenie Rm, granicy plastycznoci R0, 2 , wzrost twardoci HB

i obnienie wyduenia A5

Z uwagi na to, e zanieczyszczenia wpywaj ujemnie na

waciwoci mechaniczne, powinno by ich jak najmniej, ale to

powoduje wzrost kosztu stopu ze wzgldu na konieczno stosowa-

nia dodatkowej rafinacji. Dlatego w specjalnych celach firmy

produkujce stopy odlewnicze aluminium oferuj stopy o mniej-

szej iloci zanieczyszcze ni w stopach zwykych. Pociga to

za sob oczywicie podroenie kosztu odlewu.

Naley jednak zwrci uwag na to, dla jakich odleww sto-

py s przeznaczone. Jeli s przeznaczone dla odleww w formach

piaskowych i kokilach, domieszki elaza i manganu powinny by

moliwie najmniejsze. Dla odleww cinieniowych musz by wi

ksze zawartoci elaza (zmniejszenie oddz ialywania na komor

cinieniow i form) i tym samym wiksze zawartoci manganu dla

neutralizacji szkodliwego wpywu elaza. Szczeglnie odnosi si

to do stopw typu A1Si9Mg, AlSilOMg, ale rwnie A1Si7Mg. Wida

to bardzo wyraznie w normach niemieckich (DIN 1725), japofiskich

(JIS 5032) i amerykafiskich (AA-343.0, AA-360.0, AA-364.0) [60].

Poniewierski podaje [ 89], e w obrbce cieplnej odleww

mocno oddzialywuje i temperatura i czas wygrzewania przesycaj

cego oraz parametry sztucznego starzenia. Przesycanie powoduje

nie tylko ujednorodnienie i wprowadzenie do roztworu stalego

magnezu i krzemu, lecz take przebudow szkieletu krzemu eute-

ktycznego w odlewach. Podczas wygrzewania odleww, w odpowied-

niej dla danego stopu temperaturze, zachodzi korzystna przemia-

na budowy krysztaw kruchej fazy krzemowej, polegajca na jej

fragmentacji (rozczonkowaniu) i przeksztacaniu si paszcze-

- 56 -

glnych czci rozdzielonego szkieletu w formy kuliste (sfe-

roidyzacja). Dziki temu, mimo wzrostu umocnienia stopu bdce

go wynikiem utwardzania wydzielenimvego fazy a, moliwe jest

zachowanie korzystnych waciwoci plastycznych [89]. Przebudo-

wa struktury krzemu eutektycznego jest moliwa tylko dla stopw

modyfikowanych sodem, strontem lub w mniejszym stopniu antymo-

nem, ponadto mocny wpyw wywiera rwnie zwikszona szybko

studzenia stopu (forma piaskowa, kokila).

Tablica 9. Waciwoci mechaniczne prbek ze stopw AlSi7Mg0,3

Rodzaj

stopu

1Si7Mg0.3

1Si9Mg0,3

i

w

AlSi9Mg0 , 3 modyfikowanych

kokili i w formie piaskowej,

cieplnej [ 5, 89)

sodem, odlewanych

przed i po obrbce

Rodzaj Waciwoci mechaniczne

Sposb odlewania obrbki (rednie)

cieplnej Ro,2 1\, As HB l) MPa MPa %

w kokili - 90 200 16 55 w kokili t b 200 290 18 90

w formie piaskowej - 90 175 8 55 w formie piaskowej t b 200 275 6 90

w kokili - 95 200 13 60 w kokili t b 220 300 13 95

w formie piaskowej - 95 175 5 60

w formie piaskowej t b 220 275 3 95

1) t b - obrbka cieplna polegajca na przesycaniu w temperaturze 540C

w czasie lO h ze studzeniem w zimnej wodzie i naste;pnym s z tu-

cznym starzeniem w temperaturze l60C w czasie 6 h.

W tabl. 9 przedstawiono wyniki bada waciwoci mechanicznych

stopw AlSi7MgO,J i A1Si9Mg0,3 modyfikowanych sodem wg firmy

Pechiney [5 , 89). Porwnujc te wyniki z naszymi stopami AK 7

1 AK9 (patrz tablica 6) wida bardzo du rnic w wytrzyma-

Joci na ro zciga ni e Rm , a szczegl ni e w wydueniu A5

(kilka-

- 57 -

krotnie wicej w tabl. 9) . Wynika to - wg autora niniejszego

opracowania - z dwch powodw: w tablicy 9 podano wyniki bada

stopw modyfikowanych, a w tablicy 6 s stopy niemodyf i kowane

i po drugie cytowane w talicy 6 stopy firmy Pechiney odznaczaj

si mniejs z iloci szkodliwych domieszek [9, 60 , 89].

Wg bada bada autora niniejs zego opracowania, dla stopu AK9

modyfikowanego sodem, strontem i antymonem odlewanych do kokili

otrzymano wartoci Rm, A5 i HB zblior.e do osignitych w ta-

blicy 6 [ 117] (patrz rozdz. 4) .

Odlewy ze stopw AlSi7Mg i AlSi9Mg po przesycaniu podle-

gaj najczciej sztucznemu starzeniu.

Siluminy typu Al-Si-Mg przesycane i sztucz nie starzone

osigaj wysok granic plastycznoci R0, 2 , wiksz o 807150 %

ni dla odleww bez obrbki cieplnej, przy czym wzrost ten jest

wikszy dla stopu AlSi9Mg ni dla stopu AlSi7Mg .

Z uwagi na to, e rnice we waciwociach mechanicznych

rozpatrywanych stopw s niewielkie na korzy stopu AlSi9Mg, a

stop ten wykazuje rwnie lepsze waciwoci odlewnicze

(wi~ksza zawarto Si), std jego wiksza popularno i szersze

zastosowanie ni stopw typu AlSi7Mg.

Podczas starzenia stopw Al-Si-Mg zachodz skompliko-

wane procesy wydzieleniowe zwizane z pseudopotr j nym ukadem

Al-Mg2Si. Wg Bindasa, Kaczorawskiego i Poniewierskiego [9, 58,

89] przy rozpadzie pr zesyconego roztworu stalego w pierwszym

etapie tworz si strefy GP, w drugim wydzielanie nierwnowago-

wych faz przejciowych 13' (Mg0, 44Si) i B"(MgxSi), ktre w kocu

procesu przechodz ostatecznie w form rwnowagow /3(Mg 2Si).

Oprcz fazy 13 w procesie starzenia siluminw istotn rol

odgrywa krzem nadmiarowy wy stpujcy w przes yconym roztworze

staym et (Al). Po przesyce niu roztwr stay et zawie r a w sobie

tyle magnezu ile jest go w s topie np. O, 4 %. W przesyconym

roztworze staym jest w temperaturze przesycania (ok. 540C)

ok . l, 2% krzemu. W twor zeniu rwnowagowej fazy 13 (Mg 2Si ) bier ze

udzia tylko ok. 0,2 % Si . Po zostala res z ta krzemu w iloci

ok. 1% stanowi wanie kr zem nad miarowy, ktry jest wydzielany

oddzielnie podczas s t a r zeni a . Krzem ma mni e j sz y promie atomowy

ni mag nez i a luminium. W spczynnik dyfu zj i krzemu jest

wiks z y ni mag nez u. Prow~dzi to do atwi ejszego wydzielania

- 58 -

krzemu zwaszcza w pocztkowej fazie starzenia [89) .

Z cytowanych prac [ 9, 58, 89) wynika, e obecno krzemu

nadmiarowego w przesyconym roztworze staym a(Al) nie wpywa na

kolejno procesw wydzieleniowych Mg2Si, lecz wpywa ko-

rzystnie na jego przyspieszenie i na zwikszenie gstoci

powstajcych stref i faz przejciowych. Krzem nadmiarowy wy-

dziela si w formie czystej, nie tworzc faz porednich.

Najwiksz wytrzymao i twardo stopy osigaj przed

momentem wydzielania si fazy rwnowagowej Mg2si , po tym nast

puje do znaczne obnienie wytrzymaoci i twardoci [89).

2.3. Stopy Al-Si-Cu oraz Al-Si-Cu-Mg

W czystych stopach trjskadnikowych Al-Si-Cu riie tworz

si rnidzyrnetalowe trjskadnikowe zwizki. Z aluminiowym roz-

tworem staym - w rwnowadze- s fazy: CuA12

oraz Si [77, 89].

Jeeli stop zawiera rwnie magnez, to moe - w jego strukturze

znajdowa si faza Cu2

Mg8si

6Al

5 co powoduje zmniejszenie

iloci rozpuszczonej w roztworze staym

Podobnie oddziaywuj wystpujce w stopie

elazem, manganem i niklem.

a (Al) miedzi.

zanieczyszczenia:

W odlewnictwie stosuje si stopy zawierajce tylko Si

i Cu, a inne pierwiastki traktowane s jako zanieczyszczenia.

Stosuje si take stopy z dodatkiem magnezu (0,2+0,8 %) , dla

umoliwienia ich obrbki cieplnej. Stosowane stopy s: albo

podeutektyczne zawierajce 4+8% Si i 1+5 % Cu, do nich u nas

nale stopy AK84, AK64, AK51, AK53 (patrz tablica 5) , albo

okooeutektyczne zawierajce ok. 12% Si i 2% Cu, u nas stop

AK132 (patrz tablica 5). Stop AK132 jest przeznaczony do odle-

wania cinieniowego, nie zawiera magnezu, ale elazo w iloci

0,7+1,1%. Wszystkie stopy przeznaczone do odlewania pod cinie

niem zawieraj dodatek elaza, dla zmniejszenia ich reakty-

wnoci z kornorami cinieniowymi i formami.

We wszystkich stopach Al-Cu-Si, zadaniem miedzi jest

urnocnienie roztworu stalego a, a przez zrnniej s zon w stopach

podeutektycznych zawarto krzemu, mniejsza jest ilo kruchej

fazy /3(Si).

- 59 -

Stopy Al-Si-Cu i Al-Si-Cu-Mg wykazuj rne waciwoci

mechaniczne, zal ene od skadu chemicznego, sposobu odlewania

(forma piaskowa, kokila, cinieniowo), modyfikacji i ewentual-

nej obrbki cieplnej (tablica 6).

Waciwoci mechaniczne moliwe dla uzyskania stopu

AlSi5CuMg modyfikowanego trwale antymonem, odlewanego do kokili

i rnie obrabianego cieplnie przedstawiono w tablicy 10.

Tablica 10. Waciwoci mechaniczne prbek ze stopu

AlSi5cu3Mg0 , 3 modyfikowanego antymonem, odlewanych

w kokili, po rnej obrbce cieplnej [5, 89].

Waciwoci mechaniczne (rednie)

Rodzaj o brbki cieplnej 1)

Ra,z Rm As HB

MPa MPa %

- 170 240 2 70 t b 345 415 4 125

ta 220 360 9 100

1) t b - przesycenie w temp. 505C w czasie 8 h ze studzeniem w zimnej wodzie i nast~pnym starzeniem sztucznym w temp. 170 C w czasie 10 h.

ta - przesycanie jak wyej, natomiast starzenie naturalne (min. 5 dni w temp. 20C).

Stop ten zosta wyprodukowany przez firm Aluminium Pechiney

[ 5, 89]. Po przesycaniu i starzeniu sztucznym stop ten osiga

Rm=415 MPa, A5=4%, natomiast po przesycaniu i starzeniu natu-

ralnym Rm=36 0 MPa i A5=9%. Istnieje take podobny stop polski

AK53 produkowany przez ZML-Kty (patrz tablica 6). Ma on nieco

mniejsz wytrzymao i wyduenie, ale podane w tablicy 6 war-

toci odnosz si do stopu niemodyfikowanego. Na danie ZML-

-Kty dostarczaj stop modyfikowany trwale strontem i naley

przypuszcza, e wtedy wartoci Rm i A5 byyby wiksze. Stop

ten rni si od stopu firmy Pechiney mniejsz zawartoci

magnezu i zwikszon zawartoci manganu (tablica 5).

- 60 -

Utwardzanie wydzieleniowe zachodzce podczas starzenia

stopw Al-Si-Cu polega na wydz i elaniu fazy CuAl2 , z przesycone-

go roztworu stalego a. Biorc pod uwag~ kolejno wydzielania

si~ tej fazy w stopach podwjnych Al-Cu , mona mniema, e

w rozpatrywanych stopach proces jest podobny. Rozpoczyna s i~

prawdopodobnie od tworzenia stref GP, nast~pnie wydzielaj si~

fazy przejciowe en oraz e, po czym wydziela si~ faza rwnowa-gowa 8 (CuA1

2) [89].

Poniewa w przesyconym roztworze staym a w stopach Al-Si-

-cu wyst~puje take krzem nadmiarowy, ktry odmiennie ni

w stopach Al-Si-Mg nie wie si~ z miedzi - jest go zatem

wi~cej - moe rwnie tu zachodzi uprzywilejowane wydzielanie

fazy B(Si). Ma ono jednak niewielkie znaczenie w procesie

umacniania roztworu stalego a.

W stopach Al-Si-Cu-Mg uzyskuje si~ lepsze waciwoci

mechan i czne po obrbce cieplnej, ktre s wywoane aodatkowym

umocn ieniem fazy a rwnolegym procesem wydzielania si~ fazy

B (Mg2Si ).

Na j lepsze waciwoci mechaniczne stopy Al-Si-cu i Al-Si-

- cu-Mg uzyskuj do chwili rozpoczcia wydzielania faz rwnowa-

g owych e (CuA12) i B(Mg2Si) [89] . Stopy Al - Si -Cu oraz Al-Si-Cu- Mg - o podeutektycznej zawar-

toci Si - maj gorsze waciwoci odlewnicze ni stopy Al-Si-

- Mg majc skonno do rozproszonej porowatoci skurczowej oraz

do pkani a na gorco. Skonno do pkni na gorco mona

ograniczy przez modyfikacj roztworu stalego a mieszanin

tytanu i boru. Modyfikacj t stosuje si dla rozdrobnienia

dendrytw roztworu stalego a podczas krystalizacji odleww

[ 89] .

Siluminy miedziowe s dobrze obrabialne ~echanicznie i wy-

kazuj niewielkie zmniejszenie waciwoci mechanicznych w

podwyszonej temperaturze. S one natomiast gorzej odporne na

koroz j zwaszcza wody morskiej. Odlewy z siluminw miedziowych

starzone sztucznie wykazuj skonno do korozji napreniowej.

Odlewy starzone naturalnie tej wady nie wykazuj.

- 61 -

2.4. Stopy Al-Zn-Si-Mg

Stopy z tej grupy nazywane siluminami cynkowymi s - mimo

swoich wielu zalet - mao popularne i mao stosowane. Cynk jako

domieszka w stopach Al-Si ma szczeglne znaczenie; nie wsp

dziaa on z innymi skadnikami, w niewielkich ilociach nie ma

praktycznie wpywu na waciwoci mechaniczne stopw. Przy

wikszej zawartoci cynk umacnia

wytrzymaoci bez obrbki cieplnej

-si zawierajcych nawet do 20%

innych siluminw (115].

o c 660

600

500

400

-....... ~-r-- r--............... -- --.... r---....L~z

~

stopy, ktre osigaj due

(32], a budowa stopw Al-Zn-

Zn nie rni si od budowy

---~ L

-- ....... ............ L+Jl f--.... 82~ 4 300

OC f

~ (}lt+OCt-ocz ~

VB1,8! 95 az+ft -

f9,50C

98,860C

200

o Al

/ 31,6 78 99,4

l a+fj [" ~o l

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% wag. Zn l n

Rys.29. Ukad aluminium- cynk [45].

Takie oddziaywanie cynku w stopach potrjnych Al-Zn-Si ma

uzasadnienie w ukadzie Al-Zn (rys.29) . Jest to ukad z eutek-

tyk 95% Zn (temp. 382C) i eutektoidem 78% Zn tworzcym si

w temperaturze 275C, skadajcym si z krysztaw roztworu

staego granicznego cynku w aluminium a o zawartoci 31,6% Zn

i krysztaw roztworu stalego granicznego aluminium w cynku B

o zawartoci O, 6% Al. W miar obniania si temperatury roz-

puszczalno cynku w aluminium maleje i w temperaturze otocze-

nia dochodzi prawie do zera. Z tego wynikaoby, e w warunkach

rwnowagowych w stopach Al-Zn-Si powinny si pojawi fazy boga-

- 62 -

te w cynk wydzielone z roztworu stalego a. W odlewanych prb-

kach i odlewach, z uwagi na znacznie szybsze stygnicie, dla

stopw odlewniczych zawierajcych poniej 20% Zn, cynk pozosta-

je w przesyconym nim roztworze staym a. Potwierdzily to mikro-

fotografie struktur stopw Al-Zn-Si odlewanych w kokilach za-

wierajcych rne zawartoci cynku i krzemu (rys.30+33).

pow. lOOx pow. 500x

Rys.30. Mikrostruktura stopu zawierajcego 3,2% Zn i 6,1% Si

[ 111] .

b)

pow. lOOx pow. 500x

Rys.31. Mikrostruktura stopu zawierajcego 16,7% Zn i 6,8% Si

[ 111].

- 63 -

a) b)

paw. 100x paw. 500x

Rys.32. Mikrostruktura stopu zawierajcego 10,6% Zn i 13,3% Si

[111].

a) b)

paw. 100x paw. soox

Rys.33. Mikrostruktura stopu zawierajcego 0,3% Zn i 9,1% Si

[111].

Na mikrofotografiach wida typowe struktury siluminw pod-

i okoo eutektycznych, gdzie w przestrzeni mi~dzy dendrytami

roztworu stalego a znajduje si~ krzem eutektyczny B. Na mikro-

fotografii stopu A1Zn10,6Si13,3 (rys.32) wida rwnie wyrane

wydzielenia krzemu pierwotnego. Inne fazy nie wyst~puj [111].

- 64 -

Rwnomierne rozoenie cynku w fazie a potwierdzaj rw-

nie mikroanalizy rentgenowskie stopu AC11 (A1Zn9Si7Mg) dla

cynku i krzemu pokazane na rys. 34 [ 111].

c}

Rys.34 . Mikroanaliza rentgenowska stopu AC11 (A1Zn9Si7Mg):

a) analiza liniowa rozmieszczenia kr zemu (krzywa lewa)

i cynku (krzywa prawa), b) analiza powierzchniowa krze-

mu, c) analiza powierzchniowa cynku [111] .

- 65 -

Mendalfo [77] stwierdzi, e w obecnoci cynku roz-

puszczalno krzemu w roztworze aluminium a nieco si obnia.

Krzem nie wpywa na rozpuszczalno cynku w aluminium. Lejno

przemysowych stopw zawierajcych 8+15% Zn i 7+11% Si jest

lepsza; waciwoci mechaniczne s wysze i zale od zawar-

toci cynku.

W badaniach W.Thury z 6sterreic~ischen Giesserei Instytut

w Leoben powiconych stopom potrjnym Al-Zn-Si opracowano stop

odlewniczy AlZn10Si8MgO, 38. W badaniach tych stwierdzono, e

dodatek cynku do 8% nie wpywa na waciwoci mechaniczne

(tablica 11) [111, 112, 113].

Tablica 11. Wpyw zawartoci cynku na Rm, As i HB w stopie

AlSi6ZnMn0,2Fe0,3 [111+113]

Z n R As HB m % MPa %

o 150 10,3 49

4,83 155 9,1 48

7,40 150 11,0 47

10,7 190 4,5 61

13,8 220 3,8 85

Dalsze podwyszanie zawartoci cynku w tym samym stopie

prowadzi do wzrostu wytrzymaoci i twardoci, ale i znacznego

obnienia plastycznoci. Wyraznie dodatni wpyw na waciwoci

stopu wywar dodatek 0,6% Mg, zmieniajc wpyw cynku (ta