The Influence of Selected Technological Elements on the Structure of Alphinizing Coat on Iron Alloys

ARCHIWUM ODLEWNICTWA

251

32/19

WPŁYW WYBRANYCH CZYNNIKÓW TECHNOLOGICZNYCH

NA BUDOWĘ WARSTWY ALFINOWANEJ

NA STOPACH ŻELAZA

S. PIETROWSKI1, T. SZYMCZAK

2

Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka,

ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź

STRESZCZENIE

W pracy przedstawiono wyniki badań warstwy alfinowanej na stopach żelaza.

Podano jej budowę oraz mikrostrukturę. Omówiono wybrane czynniki technologiczne

wpływające na grubość warstwy. Wykazano, że decyduje o niej: rodzaj stopu żelaza,

chropowatość jego powierzchni, czas wytrzymania w kąpieli siluminowej, temperatura

kąpieli oraz stężenie w niej krzemu. Wyniki badań zweryfikowano w warunkach pro-

dukcyjnych wytwarzania odlewu warstwowego.

Key words: iron alloys, aplfinizing

1. WSTĘP

Technologia otrzymywania odlewów warstwowych znana jest od wielu lat.

Pomimo tego, ich wytwarzanie napotyka wiele trudności technologicznych, które wyn i-

kają z nieznajomości procesów zapewniających otrzymanie trwałego połączenia na

granicy warstw. Proces tworzenia trwałego połączenia można podzielić na trzy etapy:

zwilżanie powierzchni wtopki przez ciekły stop, dyfuzja w układzie powierzchnia

wtopki – ciekły stop (tworzenie strefy przejściowej w wyniku rozpuszczania oraz kry-

stalizacji nowych faz) i dyfuzja pomiędzy stopami w stanie stałym (po zakrzepnięciu

strefy przejściowej). Etapy te występują również w technologii alfinowania. Polega ona

na połączeniu dwóch elementów: jednego ze stopu żelaza (wtopki) z drugim wykon a-

1 prof. dr hab. inż., [email protected] 2 mgr inż., [email protected]

Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19

Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19

PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308

252

nym z siluminu poprzez utworzoną uprzednio na wtopce warstwę pośrednią (alfinowa-

ną) metodą zanurzeniową w kąpieli Al-Si. Proces ten stosowany jest od dawna do połą-

czenia wkładki podpierścieniowej wykonanej z żeliwa austenitycznego Niresist z tło-

kiem do silników spalinowych silnie obciążonych. Po alfinowaniu wkładka umieszczo-

na jest w kokili i zalana siluminem tłokowym. W ostatnich latach (od 2002r.) technolo-

gię tą zastosowano do zawieszenia samochodowego[1, 2]. Wkładka z żeliwa sferoida l-

nego po alfinowaniu zalewana jest siluminem AlSi7. Pomimo stosowania technologii

alfinowania i jej rozszerzania na różne elementy maszyn proces nie został dokładnie

rozpoznany. Aktualnie z tego zakresu prowadzone są badania, których częściowe wyn i-

ki przedstawiono w pracach[3÷6]. W związku z tym, celem niniejszej pracy jest przed-

stawienie wpływu wybranych czynników technologicznych na tworzenie warstwy alfi-

nowanej na stopach żelaza oraz połączenia jej z siluminem.

2. METODYKA BADAŃ

Do badań zastosowano następujące stopy żelaza: „armco”, stal „45”, żeliwo

szare EN-GJ250, sferoidalne EN-GJS-450-10 i austenityczne Niresist. Ich skład che-

miczny przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Skład chemiczny stopów żelaza

Table 1. The chemical composition of iron alloys

Lp. Stop Skład chemiczny stopów, %

C Si Mn P S Cr Cu Ni

1 armco 0,028 0,0024 0,022 0,001 0,012 - - -

2 45 0,43 0,37 0,58 0,033 0,03 - - -

3 szare 3,38 2,26 0,52 0,08 0,06 - - -

4 sfero 3,58 2,56 0,55 0,04 0,02 - - -

5 austenityczne 2,85 2,22 1,36 0,04 0,05 1,78 6,85 14,28

Próbki do badań miały średnicę 10mm i długość 50mm. Różną wysokość

chropowatości „Rz” na próbkach uzyskano po toczeniu: zgrubnym i dokładnym oraz

szlifowaniu. Przed alfinowaniem próbki odtłuszczano i podgrzewano wstępnie w s u-

szarce do 50C. Alfinowanie przeprowadzano w stopach o składzie podanym w tabeli 2.

Próby przemysłowe odlewania korpusu sprężarki, w którym tuleje alfinowane

z żeliwa szarego perlitycznego zalewano siluminem ENAC-AlSi9 wykonano w WSK

Rzeszów.


253

Tabela 2. Skład chemiczny stopów do kąpieli alfinującej

Table 2. The chemical composition of alloys to the alphinizing bath

Lp. Stop Skład chemiczny stopów, %

Al Si Fe Mg Ti

1 Al 99,85 99,85 0,11 0,04 - -

2 AlSi 1,5 98,40 1,42 0,14 0,02 0,02

3 AlSi 7 92,52 7,25 0,17 0,04 0,02

4 AlSi 11 88,75 10,80 0,16 0,05 0,08

5 AlSi 12 86,83 12,95 0,15 0,05 0,02

6 AlSi 17 82,51 17,25 0,17 0,05 0,02

Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie optycznym i elektron o-

wym skaningowym firmy Jeol. Mikroanalizę liniową i punktową stężenia pierwiastków

oraz dyfrakcję rentgenowską wykonano odpowiednio na mikroanalizatorze i dyfrakto-

metrze firmy Jeol.

3. WYNIKI BADAŃ

Przeprowadzone badania wykazały, że budowa fazowa warstwy alfinowanej

zależy od materiału wtopki, przy założeniu, że kąpiel alfinowana jest siluminem. Gru-

bość warstwy alfinowanej zależy od zawartości krzemu w kąpieli, jej temperatury, cza-

su wytrzymania, rodzaju materiału wtopki oraz wysokości chropowatości.

Reprezentatywne przykłady warstwy alfinowanej na żelazie „armco”, stali 45,

żeliwie szarym EN-GJ-250 i sferoidalnym EN-GJS-450-10 po 180s wytrzymania

w kąpieli o temperaturze 750C pokazano na rysunku 1 (ad).

Powłoka alfinowana składa się z czterech warstw. Pierwszej, przylegającej

bezpośrednio do podłoża o niewielkiej grubości zawartej w przedziale 810 m.

Do niej przylega jasnoszara warstwa jako druga, na której występuje kolejna warstwa

i warstwa czwarta – silumin. Badania mikroanalizą rentgenowską liniową i punktową

stężenia pierwiastków: Al, Si, Fe i C w powłoce alfinowanej w kąpieli AlSi11 wykazały

znaczne ich zróżnicowanie. Przykładowo na rysunku 2 (ac) przedstawiono punkty

pomiarowe 14, w których badano stężenie pierwiastków na „armco” i stali „45”, a na

rysunku 3 (ac) na żeliwie szarym i sferoidalnym. Średnie stężenie badanych pierwias t-

ków w poszczególnych punktach 14 przedstawiono w tabeli 2. Punkt pomiarowy „1”

umieszczony był w warstwie zbudowanej z siluminu, stąd jest wysokie w nim stężenie

Al = 9598% oraz niewielkie Fe i Si. W punkcie „2” umieszczonym na warstwie jasno-

szarej, w pobliżu warstwy siluminu, w badanych stopach żelaza występuje bardzo p o-

dobne stężenie: Al = 5455%; Fe = 3536% i Si = 910%. W tej samej warstwie ale

w punkcie „3” położonym bliżej podłoża, w żelazie „armco” i stali „45” są również

podobne stężenia: Al = 4849%; Fe = 48% i Si = 2,5%. Jednak zmniejszyło się stężenie

Al i Si a zwiększyło Fe.

254

a) b)

c) d)

Rys. 1. Reprezentatywne przykłady warstwy alfinowanej w kąpieli AlSi11 o temperaturze 750C

i czasie zanurzenia 180s na: a – „armco”, b – stali „45”, c – żeliwie szarym, d – żeliwie

sferoidalnym

Fig. 1. Representative alphinizing coats in AlSi11 bath at 750C, 180s on: a – „armco” iron, b – „45” steel, c – gray cast iron, d – ductile cast iron

W obu gatunkach żeliwa, w punkcie „2” występuje podobne stężenie Al, Fe

i Si jak w stali. W punkcie „3” w porównaniu ze stalą zwiększyło się niewiele stężenie

Al(2,0%), istotnie stężenie Si oraz zmalało Fe. W punkcie „4” w stalach, występuje

wysokie stężenie Al = 51% i Fe = 48% przy niewielkiej ilości Si = 1%, natomiast

w żeliwie jest niewielkie stężenie Al = 0,7% oraz znaczne Fe = 82% i Si = 11%, wystę-

puje również węgiel w ilości C = 6%. W wyniku dyfrakcji ren tgenowskiej stwierdzono,

że bezpośrednio na podłożu w stalach krystalizuje faza Al3Fe, a w żeliwach żelazo-

krzemowy węglik Fe4CSi. W stanie równowagowym zawiera on 4,55% C i 10,66%

Si[7]. Na tych warstwach krystalizuje faza Al12Fe3Si2, która w stanie równowagowym

zawiera: 32,25% Fe; 5,44% Si oraz 62,30% Al[8]. Na niej krystalizuje faza Al9Fe3Si2

o stężeniu równowagowym: 27,17% Fe; 13,77% Si oraz 59,05% Al[8]. Faza ta wystę-

puje również w warstwie siluminu ENAC-AlSi11 (rys. 3b).


255

Rys. 2. Budowa warstwy alfinowanej oraz punkty pomiarowe badania stężenia: Al, Fe i Si:

a – żelazo „armco”, b – stal „45”, c – powiększenie warstwy „4” z rys. b Fig. 2. The structure of the alphinizing coat and testing points of Al, Fe and Si concentration: a –

„armco” iron, b – „45” steel, c – magnification of „4” coat from fig. b

Rys. 3. Budowa warstwy alfinowanej oraz punkty pomiarowe badania stężenia: Al, Si, Fe i C: a i b – żeliwo szare, c – żeliwo sferoidalne

Fig. 3. The structure of the alphinizing coat and testing points of Al, Si, Fe and C concentration:

a and b – gray cast iron, c – ductile cast iron

256

Tabela 3. Stężenie Al, Si, Fe i C w punktach pomiarowych 1 – 4 warstwy alfinowanej

na stali i żeliwie otrzymanej po alfinowaniu w kąpieli o temperaturze 750C i czasie 180s

Table 3. Al, Si, Fe and C concentration in 14 testing points, of the alphinizing coat on

steel and cast iron obtained after alphinizing in bath at 750C, 180s

Nr punktu pomiaro-wego

Pierwiastek

Stężenie pierwiastków, %

wtopka

Stal Żeliwo

„armco” „45” szare sferoidalne 1 Al

Fe

Si

95,76 1,11

3,14

97,84 0,51

1,66

98,02 0,63

1,35

98,27 0,60

1,13

2 Al

Fe Si

54,62

36,13 9,25

54,45

35,15 10,40

55,19

35,09 9,72

54,09

35,84 10,07

3 Al

Fe Si

48,66

48,71 2,63

49,28

48,55 2,17

51,98

42,74 5,28

-

- -

3 – żeliwo sferoidalne;

odpowiada pkt. 4 na “ armco” (rys. 2a) i pkt. 2

na “ 45” (rys. 2c)

Al

Fe Si

C

50,96

47,71 1,33

-

50,59

48,50 0,91

-

-

- -

-

0,73

81,82 11,31

6,14

1 – rys. 2c Al

Fe Si

-

- -

51,80

42,98 5,22

-

- -

-

- -

4 – rys. 3(b i c) Al

Fe Si

-

- -

-

- -

60,15

25,84 14,01

62,81

21,15 16,04

Na rysunku 4 przedstawiono przykładowo wpływ rodzaju materiału i czasu a l-

finowania w kąpieli Al-Si11 o temperaturze 750C na grubość warstwy alfinowanej.

Wynika z niego, że najmniejszą grubość powłoki uzyskuje się na żelazie „armco”,

a największą na żeliwie austenitycznym. Stąd wniosek, że przy stałej temperaturze

kąpieli alfinującej, o grubości warstwy alfinowanej na stopach żelaza decyduje skład

chemiczny i mikrostruktura stopu. Wzrost zawartości węgla i krzemu przyśpiesza pro-

ces wzrostu warstwy alfinowanej. Podobnie oddziaływuje zmiana mikrostruktury od

ferrytycznej poprzez ferrytyczno-perlityczną, perlityczną do austenitycznej i obecność

w niej wydzieleń grafitu.

Wpływ temperatury kąpieli alfinującej i czasu zanurzenia próbki na grubość

warstwy alfinowanej przedstawiono przykładowo dla żeliwa szarego na rysunku 5.

Wynika z niego, że w temperaturze kąpieli 650C dopiero po 180s tworzy się warstwa

o niewielkiej grubości (około 56m). Najgrubsza warstwa występuje po alfinowaniu

w kąpieli o temperaturze 950C. Wzrost temperatury kąpieli alfinującej powyżej 750C

do 950C, niezależnie od czasu alfinowania, powoduje nieciągłoś ć budowy (fragmenty-

zację) faz Al12Fe3Si2 i Al9Fe3Si2, jak to przykładowo pokazano na rysunku 6. Wydłuże-

nie czasu alfinowania również powoduje wzrost grubości warstwy. Przeprowadzone

badania wykazały, że optymalna temperatura i czas alfinowania ze względu na jakość

powłoki i jej późniejsze połączenie z siluminem, wynoszą: 750C i 180s.


257

Rys. 4. Wpływ rodzaju materiału i czasu alfinowania w kąpieli AlSi11

o temperaturze 750C na grubość powłoki

Fig. 4. The influence of a sort of material and alphinizing time in AlSi11

bath at 750C on the coat thickness

Rys. 5. Wpływ temperatury kąpieli alfinującej i czasu zanurzenia próbki

na grubość warstwy alfinowanej Fig. 5. The influence of the alphinizing bath temperature and immersion time

of a sample on the thickness of alphinizing coat

258

40m

Rys. 6. Fragmentyzacja faz Al12Fe3Si2 i Al9Fe3Si2 w powłoce alfinowanej

Fig. 6. The fragmentation of Al12Fe3Si2 and Al9Fe3Si2 phases in the alphinizing coat

Rys. 7. Wpływ ilości krzemu w kąpieli alfinującej i czasu wytrzymania wtopki na

grubość warstwy alfinowanej na żeliwie szarym

Fig. 7. The influence of Si in alphinizing bath and immersion time of element on the

thickness of the alphinizing coat on gray cast iron


259

Na rysunku 7 przedstawiono przykładowo wpływ ilości krzemu w kąpieli alfi-

nującej i czasu wytrzymania wtopki na grubość warstwy alfinowanej na żeliwie szarym.

Wynika z niego, że największą grubość warstwy otrzymuje się dla technicznie czystego

aluminium oraz zawierającego około 1,5% Si. Wzrost stężenia krzemu do punktu eutek-

tycznego w kąpieli alfinującej, zmniejsza grubość warstwy. Przy stężeniach krzemu

większych od punktu eutektycznego (siluminy: AlSi12 i AlSi17) również maleje gru-

bość warstwy ze zwiększeniem krzemu. Uzyskane grubości warstwy są jednak większe

w porównaniu z siluminami podeutektycznymi (AlSi7 i AlSi11). Należy przypuszczać,

że jest to związane z oddziaływaniem kryształów krzemu pierwotnego na kinetykę

krystalizacji warstwy alfinowanej.

Alfinowanie wtopki w aluminium powoduje utworzenie warstwy złożonej wy-

łącznie z Al3Fe jak to przykładowo przedstawiono na rysunku 8(ac).

a) b)

260

c)

Accelerating Voltage: 15 KeV Take Off Angle: 35.4667 Live Time: 56 seconds Dead Time: 20.021

Element k-ratio ZAF Atom % Element Wt % Err.

(calc.) Wt % (1-Sigma)

Al-K 0.3580 1.467 68.85 52.52 +/- 0.25

Si-K 0.0093 1.852 2.16 1.72 +/- 0.10

Fe-K 0.4203 1.089 28.99 45.77 +/- 0.59

Total 100.00 100.00

Rys. 8. Wyniki mikroanalizy stężenia pierwiastków w warstwie naniesionej w kąpieli aluminio-

wej o temperaturze 750C i w czasie 180s: a – linia pomiaru; b – liniowy rozkład Al, Fe,

C i Si; c – średnie stężenie Al, Fe i Si w obszarze warstwy dyfuzyjnej

Fig. 8. Results of microanalysis of elements concentration in the coat obtained in aluminum bath

at 750C, 180s: a – measurement line; b – linear distribution of Al, Fe, C and Si; c – aver-age concentration of Al, Fe and Si in the diffusion coat zone

Reprezentatywne przykłady warstwy alfinowanej na żeliwie szarym w kąpieli

zawierającej różne ilości krzemu, o temperaturze 750C i w czasie 60180 s przedsta-

wiono na rysunkach 9, 1012 (ac).

Rys. 9. Warstwa alfinowana w kąpieli aluminiowej

Fig. 9. The coat obtained in aluminum bath


261

a) b)

c)

Rys. 10. Warstwa alfinowana w kąpieli o zawartości 1,5% Si w czasie: a – 60s, b – 120s,

c – 180s

Fig. 10. The coat obtained in bath with 1,5% Si after: a – 60s; b – 120s; c – 180s

a) b)

262

c)

Rys. 11. Warstwa alfinowana w kąpieli siluminowej o zawartości 7% Si w czasie: a – 60s,

b – 120s, c – 180s Fig. 11. The coat obtained in bath with 7% Si after: a – 60s; b – 120s; c – 180s

a) b)

c)


b – 120s, c – 180s

Fig. 12. The coat obtained in bath with 12% Si after: a – 60s; b – 120s; c – 180s


263

a) b)

c)


b – 120s, c – 180s

Fig. 13. The coat obtained in bath with 17% Si after: a – 60s; b – 120s; c – 180s

Na grubość warstwy alfinowanej wpływa również wysokość chropowatości

„Rz” powierzchni alfinowanej, wynikająca z rodzaju i parametrów obróbki skrawaniem.

Wpływ „Rz” na grubość warstwy alfinowanej na stopach żelaza przedstawiono na ry-

sunku 14. Wynika z niego, że niezależnie od rodzaju stopu, początkowo, ze wzrostem

„Rz” grubość warstwy zwiększa się do pewnej wielkości krytycznej powyżej, której

maleje. Wartość krytyczna dla stali zawiera się w zakresie Rz = 2227 m, a dla żeliwa

Rz = 3135 m.

Otrzymane wyniki badań zweryfikowano w warunkach produkcyjnych w WSK

Rzeszów na przykładzie odlewu warstwowego korpusu sprężarki. Odlew złożony był

z tulei cylindrowej wykonanej z żeliwa szarego perlitycznego, która po alfinowaniu

zalana była siluminem AlSi9, stanowiącym korpus sprężarki. Przykładowo, alfinowaną

tuleję cylindrową pokazano na rysunku 15. Żeliwne tuleje cylindrowe mogą być poje-

dyncze lub podwójne. Przykład tulei cylindrowych podwójnych po alfinowaniu i zala-

niu siluminem pokazano na rysunku 16.

264

Rys. 14. Wpływ wysokości chropowatości „Rz” na grubość powłoki otrzymanej

po zanurzeniu w kąpieli AlSi11 o temperaturze 750C w czasie 180s Fig. 14. The influence of „Rz” roughness on the coat thickness obtained after im-

mersion in AlSi11 bath (750C, 180s)

Rys. 15. Tuleja cylindrowa po alfinowaniu

Fig. 15. A cylinder liner after alphinizing


265

Rys. 16. Przekrój korpusu sprężarki z żeliwnymi tulejami cylindrowymi

Fig. 16. A section of a compressor frame with cast iron cylinder liners

Poprawność połączenia wtopki z naniesioną zanurzeniowo warstwą alfinowaną

z siluminem, tworzącego określoną całość elementu urządzenia lub maszyny (odlew

warstwowy) uzyskuje się gdy czas od zakończenia alfinowania do zalania wtopki silu-

minem nie przekracza 30s. Przykładowe połączenie warstwy alfinowanej z siluminem

ENAC – AlSi9 pokazano na rysunku 17.

Rys. 17. Połączenie warstwy alfinowanej z siluminem Fig. 17. A joint of the alphinizing coat with silumin

4. WNIOSKI

Z przedstawionych w pracy danych wynikają następujące wnioski:

powłoka alfinowana zbudowana jest z czterech warstw, przy czym budowa

pierwszej od podłoża zależy od rodzaju stopu żelaza, oraz zawartości krzemu

w kąpieli alfinującej,

o grubości powłoki alfinowanej decydują: rodzaj materiału alfinowanego, jego

chropowatość, temperatura i skład kąpieli oraz czas alfinowania,

266

poprawne połączenie wtopki przez warstwę alfinowaną z siluminem, uzyskuje

się, gdy czas od zakończenia alfinowania do zalania jest krótszy od 30s.

LITERATURA

[1] J. C. Viala, M. Peronnet, F. Barbeau, F. Bosselet, J. Bouix: Interface chemistry in

aluminum alloy casting reinforced with iron base inserts. Composites, nr A33

(2002).

[2] P. Nowak: Badania modelowe kształtowania struktury i właściwości strefy przej-

ściowej w odlewach warstwowych. Rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, Ka-

towice (2005).

[3] S. Pietrowski: Budowa warstwy alfinowanej na żeliwie szarym. Archiwum Odlew-

nictwa, nr 11 (2004).

[4] S. Pietrowski, T. Szymczak: Budowa zanurzeniowych powłok Al-Si na stopach

żelaza. Archiwum Odlewnictwa, nr 12 (2004).

[5] S. Pietrowski, T. Szymczak: Budowa połączenia powłoki alfinowanej z siluminem.

Archiwum Odlewnictwa, nr 14 (2004).

[6] Pietrowski S., Szymczak T.: Wpływ chropowatości powierzchni materiału na gru-

bość powłoki po alfinowaniu. Archiwum Odlewnictwa, nr 17 (2005).

[7] Podrzucki C.: Żeliwo. Budowa, właściwości, zastosowanie. ZG STOP, Kraków

(1991).

[8] Sękowski K., Piaskowski J., Wojtowicz Z.: Atlas struktur znormalizowanych sto-

pów odlewniczych. WNT, Warszawa (1972).

THE INFLUENCE OF SELECTED TECHNOLOGICAL ELEMENTS

ON THE STRUCTURE OF ALPHINIZING COAT ON IRON ALLOYS

SUMMARY

In this paper the results of alphinizing coat on iron alloys have been presented.

The structure and microstructure of the coat have been presented. Selected technological

elements which have the influence on the coat thickness have been discussed. It was

demonstrated, that kind of iron alloy, the roughness of its surface, time of silumin bath,

bath temperature and Si concentration decided on it. The results were verified in pro-

duction conditions of layered cast.

Pracę zrealizowano w ramach grantu badawczego nr 3T08C 033 28

Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Edward Guzik

Documents

The Influence of Selected Technological Elements on the Structure of Alphinizing Coat on Iron Alloys