Wpływ chromu na proces krystalizacji, mikrostrukturę i właściwości siluminu podeutektycznego

• Autorzy: Szymczak T. , Gumienny G. , Wilk-Kolodziejczyk D. , Pacyniak T.

Identyfikatory

DOI

10.7356/iod.2018.06

Warianty tytułu

EN

Effect of chromium on the crystallization process, microstructure and properties of hypoeutectic Al-Si alloy

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań siluminu podeutektycznego z dodatkiem chromu przeznaczonego do odlewania pod ciśnieniem. W charakterze stopu wyjściowego zastosowano silumin o składzie chemicznym zbliżonym do siluminu gatunku EN AC-46000. W celu wprowadzenia chromu do siluminu wyjściowego zastosowano zaprawę AlCr15. Ilość siluminu wyjściowego oraz zaprawy AlCr15 dobrano w proporcjach pozwalających na uzyskanie w stopie zawartości Cr około 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 i 0,5% wag. W ramach realizacji pracy zbadano zarówno silumin wyjściowy, jak również siluminy z dodatkiem chromu. Przedstawiono wyniki analizy termicznej i derywacyjnej ATD (ang. Differential Thermal Analysis – DTA), przeprowadzonej w celu zbadania procesu krystalizacji siluminów. Pokazano mikrostrukturę siluminów odlewanych do próbnika ATD oraz ciśnieniowo. Określono podstawowe właściwości mechaniczne siluminów odlewanych pod ciśnieniem. Przedstawione wyniki analizy ATD wykazały wpływ dodatku chromu na przebieg procesu krystalizacji badanego siluminu. Na krzywych ATD siluminu wyjściowego występują trzy efekty cieplne wywołane odpowiednio krystalizacją roztworu stałego α(Al), oraz dwóch eutektyk α + Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂ + + β i α + Al₂Cu + AlSiCuFeMnMgNi + β. Wprowadzenie chromu w ilości około 0,2% wag. spowodowało wystąpienie na krzywej derywacyjnej dodatkowego efektu cieplnego pochodzącego od krystalizacji fazy międzymetalicznej zawierającej chrom. Krystalizacja tej fazy zachodzi przed wydzielaniem się z cieczy dendrytów fazy α(Al). Analiza mikrostruktury siluminów odlewanych do próbnika ATD wykazała pojawienie się wydzieleń „nowej” fazy w siluminach zawierających 0,2% wag. lub więcej Cr. Wraz z pojawieniem się na krzywych ATD dodatkowego efektu cieplnego oraz „nowej” fazy w mikrostrukturze siluminu zauważono brak fazy Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂. W siluminach odlewanych ciśnieniowo dodatek chromu również spowodował powstanie „nowej” fazy międzymetalicznej. Faza ta pojawia się przy zawartości około 0,3% wag. lub większej Cr. Ma ona morfologię zbliżoną do ścianowej. Wraz z podwyższaniem ilości chromu rozmiary tej fazy znacząco się zwiększają. Badania podstawowych właściwości mechanicznych siluminów odlewanych pod ciśnieniem wykazały, że dodatek Cr daje możliwość znaczącego podwyższenia głównie wytrzymałości na rozciąganie R_m i wydłużenia względnego A. Pierwiastek ten w mniejszym stopniu wpłynął na podwyższenie twardości HB. Wartości umownej granicy plastyczności R_p0,2 siluminu wyjściowego i siluminów z podwyższoną zawartością chromu nie zmieniają się istotnie. Najwyższe właściwości mechaniczne uzyskano dla siluminów zawierających około 0,2 i 0,3% wag. Cr.

EN

The paper presents the results of studies of hypoeutectic silumin with a chromium addition used for pressure casting. A silumin with the composition similar to that of EN AC-46000 was used as the initial one. In order to introduce chromium into the initial silumin, an AlCr15 master alloy was applied. The amounts of the initial silumin and the AlCr15 master alloy were selected in the proportions making it possible to obtain about 0.1; 0.2; 0.3; 0.4 and 0.5 wt. % of Cr in the alloy. Both the initial silumin and the silumins with the chromium addition were examined. The results of the thermal and derivational analysis performed to investigate the silumins' crystallization process have been presented. The microstructure of the silumins cast into an DTA tester and under pressure has been demonstrated. The basic mechanical properties of the pressure cast silumins have been presented. The results of the DTA analysis showed an effect of the chromium addition on the course of the crystallization process of the examined silumin. Three thermal effects are present on the silumin's DTA curves, caused by the crystallization of the solid solution α(Al), and of two eutectics α + Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂ + β and α + Al₂Cu + AlSiCuFeMnMgNi + + β. The introduction of chromium in the amount of about 0.2 wt. % caused the presence of an additional thermal effect on the derivation curve, originating from the crystallization of the intermetallic phase containing chromium. The crystallization of this phase occurs before the precipitation of the dendrites of phase α(Al) from the liquid. The microstructure analysis of the silumins cast into the DTA tester showed the presence of precipitations of a “new” phase in the silumins containing 0.2% wt. Cr or more. With the occurrence of an additional thermal effect on the DTA curves as well as the “new” phase in the silumin's microstructure, the lack of phase Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂ was observed. In the pressure cast silumins, the chromium addition also caused the formation of a “new” intermetallic phase, which occurs with the Cr content of about 0.3 wt. % or more. Its morphology is similar to a faceted one. With an increase of the chromium content, the size of this phase significantly increases as well. The investigations of the basic mechanical properties of the pressure cast silumins showed that the Cr addition makes it possible to significantly increase mainly the tensile strength R_m and the unit elongation A. To a lesser extent, this element caused an increase of the hardness HB. The values of the proof stress R_p0.2 of the initial silumin and the silumins with an increased chromium content do not change significantly. The highest mechanical properties were obtained for the silumins containing about 0.2 and 0.3 wt. % Cr.

Słowa kluczowe

PL

silumin; chrom; mikrostruktura; właściwości mechaniczne; odlewanie ciśnieniowe

EN

silumin; chromium; microstructure; mechanical properties; high pressure die casting

• Wydawca: Instytut Odlewnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Odlewnictwa
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 58, no. 1
• Strony: 55--72
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Szymczak T.

• Politechnika Łódzka, Katedra Technologii Materiałowych i Systemów Produkcji, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź, Polska

autor

Gumienny G.

• Politechnika Łódzka, Katedra Technologii Materiałowych i Systemów Produkcji, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź, Polska

autor

Wilk-Kolodziejczyk D.

• Instytut Odlewnictwa, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków, Polska
• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, ul. Czarnowiejska 66, 30-059 Kraków, Polska

autor

Pacyniak T.

• Politechnika Łódzka, Katedra Technologii Materiałowych i Systemów Produkcji, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź, Polska

Bibliografia

• 1. Zheng Y., W. Xiao, S. Ge, W. Zhao, S. Hanada, C. Ma. 2015. „Effects of Cu content and Cu/Mg ratio on the microstructure and mechanical properties of Al-Si-Cu-Mg alloys”. Journal of Alloys and Compounds 649 (15 November 2015) : 291−296.
• 2. Ding L., Z. Jia, Z. Zhang, R.E. Sanders, Q. Liu, G. Yang. 2015. „The natural aging and precipitation hardening behavior of Al-Mg-Si-Cu alloys with different Mg/Si ratios and Cu additions”. Materials Science & Engineering A 627 (11 March 2015) : 119−126.
• 3. Yu W., H. Zhao, L. Wang, Z. Guo, S. Xiong. 2018. „The influence of T6 treatment on fracture behavior of hypereutectic Al-Si HPDC casting alloy”. Journal of Alloys and Compounds 731 (15 January 2018) : 444−451.
• 4. Wang X., M. Guob, J. Luo, J. Zhu, J. Zhang, L. Zhuang. 2017. „Effect of Zn on microstructure, texture and mechanical properties of Al-Mg-Si-Cu alloys with a medium number of Fe-rich phase particles”. Materials Characterization 134 (December 2017) : 123−133.
• 5. Yan L., Y. Zhangn, X. Li, Z. Li, F. Wang, H. Liu, B. Xiong. 2014. „Effect of Zn addition on microstructure and mechanical properties of an Al–Mg–Si alloy”. Progress in Natural Science: Materials International 24 (2) : 97−100.
• 6. Alemdağ Y., M. Beder. 2014. „Microstructural, mechanical and tribological properties of Al–7Si–(0–5)Zn alloys”. Materials and Design 63 (November 2014) : 159−167.
• 7. Szymczak T., G. Gumienny, T. Pacyniak. 2016. „Hypoeutectic silumin to pressure die casting with vanadium and tungsten”. Archives of Metallurgy and Materials 61 (4) : 2103−2110.
• 8. Szymczak T., G. Gumienny, I. Stasiak, T. Pacyniak. 2017. „Hypoeutectic Al-Si alloy with Cr, V and Mo to pressure die casting”. Archives of Foundry Engineering 17 (1) : 153−156.
• 9. Okamoto H. 2008. „Al-Cr (Aluminum-Chromium)”. Journal of Phase Equilibria and Diffusion 29 (1) : 111−112. DOI: 10.1007/s11669-007-9225-4.
• 10. Alloy Phase Diagrams. ASM Handbook. Vol. 3. 1992.
• 11. Pietrowski S. 2001. Siluminy. Łódź: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej.
• 12. Pietrowski S., B. Pisarek, R. Władysiak, G. Gumienny, T. Szymczak. 2009. TDA curves of metals alloys and the control of their quality. W: Szajnar J. (red.), Postępy teorii i praktyki odlewniczej, 345−377. Katowice – Gliwice: PAN.
• 13. Cholewa M., Z. Jura, A. Studnicki. 2009. Rozwój metody analizy termicznej i derywacyjnej w Katedrze Odlewnictwa Politechniki Śląskiej. W: Szajnar J. (red.), Postępy teorii i praktyki odlewniczej, 49−70. Katowice – Gliwice: PAN.
• 14. Piątkowski J., B. Gajdzik. 2013. „Testing phase changes in Al-Si cast alloys with application of thermal analysis and differential calorimetric analysis”. Metalurgija 52 (4) : 469−472.
• 15. Pezda J. 2014. „The effect of the T6 heat treatment on hardness and microstructure of the EN AC-AlSi12CuNiMg alloy”. Metalurgija 53 (1) : 63−66.
• 16. Pezda J. 2015. „Effect of the T6 heat treatment on change of mechanical properties of the AlSi12CuNiMg alloy modified with strontium”. Archives of Metallurgy and Materials 60 (2) : 627−632.
• 17. PN-EN 1706:2011 Aluminium I stopy aluminium. Odlewy, skład chemiczny i własności mechaniczne.
• 18. Taylor J.A. 2012. „Iron-containing intermetallic phases in Al-Si based casting alloys”. Procedia Materials Science 1 : 19−33.
• 19. Dinnis C.M., J.A. Taylor, A.K. Dahle. 2005. „As-cast morphology of iron-intermetallics in Al–Si foundry alloys”. Scripta Materialia 53 (8) : 955−958.
• 20. Warmuzek M. 2015. „Solidification path of the AlFeMnSi alloys in a stage of primary intermetallic phases precipitation”. Prace Instytutu Odlewnictwa / Transactions of the Foundry Research Institute 55 (3) : 51−60.