UDK 669.715:669.5:629.114.6 Strokovni članek ISSN 1580-2949 MTAEC 9, 36(6)407(2002) M. TORKAR, B. BRESKVAR: PREISKAVE KOMPONENT ZA AVTOMOBILSKO INDUSTRIJO PREISKAVE KOMPONENT ZA AVTOMOBILSKO INDUSTRIJO AN INVESTIGATION OF COMPONENTS MADE BY THE RHEOCASTING PROCESS Matjaž Torkar1, Bojan Breskvar1 1 Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija matjaz.torkarŽimt.si Prejem rokopisa - received: 2002-11-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 2002-11-19 Preverili smo kakovost poskusno izdelanih komponent iz podevtetskih siluminov A 356 (ulito stanje) in A 357 (ulito in toplotno obdelano stanje T5). Pri obeh zlitinah smo določili interval strjevanja. Makroskopski pregled in rentgenski posnetki ulitkov niso pokazali opaznih površinskih napak, niti notranjih napak v obliki poroznosti ali večjih vključkov. Makro- in mikrostrukturne preiskave so pokazale odlično homogenost in dokaj enakomerno velikost globularnih zrn primarno strjene faze, ki pa se je na specifičnih področjih pričela raztapljati, najverjetnejše zaradi lokalnega pregretja. Značilnost teh ulitkov je, da je ob površinah povečan delež evtektika. Ključne besede: podevtektski silumin, "rheocasting", makro- in mikrostruktura, interval strjevanja, toplotna obdelava, trdota The quality of components made from hypoeutectic silumin A 356 (as cast) and A 357 (as cast and heat treated T5) was checked. For both alloys the solidification range was determined. Macroscopic checks and x-ray analyses of the components did not reveal either surface defects or internal defects like coarser inclusions or porosity. Observation of the macro- and microstructure showed good homogeneity and a uniform size of the globular grains of the primary solidified phase. On specific regions the primary phase started to remelt, we suppose this is due to local overheating. A characteristic of the components is an increased content of the eutectic near the surface. Key words: hypoeutectic silumin, rheocasting, macro- and microstructure, solidification range, heat treatment, hardness 1 UVOD Inštitut za kovinske materiale in tehnologije sodeluje pri projektu 5. okvirnegaprogramaRHEO-LIGHT: Rheocasting: an innovative & ecological process for light and cost effective application. Glavni cilj projekta je razvoj, preverjanje rezultatov ter ocena tega inova-tivnegain ekološko usmerjenegaproizvodnegapostopka. Značilno zatapostopek (podoben je postopkomathixo in squeeze casting) je cenejša priprava surovcev, ki se neposredno preoblikujejo v testastem stanju. Na tem področju se v svetu opravljajo številne raziskave. Postopek se prične z litjem zlitine v primeren lonček, globularnastrukturapase zagotovi s kontroliranim ohlajanjem taline v testasto stanje. Nato se izenači temperatura surovca, ki se ga nato v testastem stanju vloži v predkomoro vertikalne naprave "squeeze casting", kjer bat potisne material v orodje. Tu se material preoblikuje in do konca strdi. Shematični prikaz novega postopka je prikazan na sliki 1. Zlitinaz dendritno mikrostrukturo v dvofaznem področju ni primernazaNRC-postopek, ker material zaradi dendritov nima izotropnih lastnosti. Šele Flemin-govo odkritje, da se kovinski material z globularno mikrostrukturo v dvofaznem področju (L + ?) vede tiksotropno 1-4, je omogočilo razvoj postopka thixo-casting. Novi postopek rheocasting (NRC) izkorišča prednosti postopka thixocasting, vendar pa je prednost NRC-postopkav tem, dapreoblikovanje sledi ulivanju brez vmesnega ohlajanja in ogrevanja. NRC-postopek je zato tudi bolj ekonomičen. Ni potrebno namreč konti-nuirno litje gredic z elektromagnetnim mešanjem, prav tako rezanje gredic in ni ponovnega ogrevanja materiala na temperaturo preoblikovanja v testastem stanju. Globularno izoblikovanje primarne faze ?Al pri NRC-postopku se doseže z litjem taline v lonček, kjer hitremu začetnemu ohlajanju sledi kontrolirano ohlajanje do temperature, primerne za preoblikovanje. V tem trenutku je do 25 % mase surovca še staljene. Raziskave kažejo, da je postopek primeren tako za Al-zlitine kot tudi zaMg-zlitine3. Slika 1: Shematični prikaz novega postopka Rheocasting z možnostjo in situ recikliranja materiala (Vir: projektna dokumentacija GRD1-2002-40422) Figure 1: Shematical presentation of new rheocasting process with possibility of in situ recycling of material (From project documentation GRD1-2002-40422) MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 407 17 M. TORKAR, B. BRESKVAR: PREISKAVE KOMPONENT ZA AVTOMOBILSKO INDUSTRIJO Tabela 1: Kemičnasestavazlitine A 356 in A 357 Table 1: Chemical analysis of A 356 and A 357 alloy ZlitinaCu Mg Mn Si __________(%)max. (%) (%)max. (%) A356 0,20 0,25-045 0,20 6,5- 7,5 A357 | 0,20 | 0,40-0,70 | 0,20 | 6,5- 7,5 Namen projekta je obvladovanje NRC-postopka in njegovo uvajanje v livarne po Evropi. To bo prispevalo k zmanjšanju stroškov in onesnaževanja, zaradi možnosti in situ recikliranja v obratu pa tudi k zmanjšanju količine odpadnega materiala. NalogaInštitutav okviru projektaje metalografska kontrola materiala in komponent ter neporušne preiskave komponent. 2 EKSPERIMENTALNI DEL Zapreiskavo smo dobili komponente (slike 2 do 5), ki so jih izdelali po NRC-postopku v podjetju STAMPAL, Torino. Pri izdelavi je bila uporabljena preizkusna naprava, ki jo izdeluje japonsko podjetje UBE. Napravo sestavljajo livni del s kontroliranim ohlajanjem, robot in tlačni stroj za "sqeeze casting". Zapreiskavo smo dobili: surovec 1 iz zlitine A 356 in surovec 2 iz zlitine A 357, ki stabilaobav testastem stanju prerezana in ohlajena v vodi, in sicer: komponento 1 (slika4) - nosilec motorjaiz zlitine A 357, T5, toplotno obdelano (6 h pri 170 °C, doseženatrdotaHB 5/250 = 92 - 96 ), komponenti 2 in 3 (slika5) - nosilca motorja(podobni ročični gredi) iz zlitine A 357, prvav litem stanju (HB 5/250 = 72-76) in druga toplotno obdelanaT5 (4,5 h 170 °C, doseženatrdotaHB 5/250 = 89 - 95). To so podatki proizvajalca. Podatke o kemijski sestavi zlitin smo dobili od proizvajalca, zato jih navajamo v tabeli 1. Pregledali smo stanje površine, napravili rentgenske posnetke notranjosti s prenosno industrijsko rentgensko napravo YXLON SMART 225 kV (Andrex), izvršili metalografski pregled z optičnim mikroskopom Nikon Sliki 2 in 3 : Surovec 2 iz zlitine A 357, prerezan v testastem stanju Figure 2 and 3: Slurry 2 from A 357 Alloy, cut in semisolid state 408 Fe Zn Ti Sr Al (%) max. (%) max. (%)________(%)________(%) 0,20_______0,20 0,05-0,20 0,01-0,03 ostalo 0,20 | 0,20 | 0,05- 0,20 | 0,01- 0,03 | ostalo Microphot FXA, opremljenim z 3CCD- videokamero Hitachi HV-C20A in programom analySIS za analizo metalografskih slik. Izmerili smo trdoto po Brinellu in določili interval strjevanja zlitin A 356 in A 357 pri vzorcih, vzetih iz surovcev. Kontrolni material sta bila čisti Al in čisti Zn. Od proizvajalca smo dobili še podatek o meritvi temperature v surovcih na treh mestih po višini (tabela 2). Namen te meritve je bil ugotoviti, ali ima surovec enakomerno temperaturo pred preoblikovanjem. Tabela 2: Kontrolatemperature natreh mestih po višini surovca Table 2: Control of temperature at three points in the slurry Zlitina Temperatura v surovcu po višini (°C) TA Tb TC Surovec 1, zlitinaA356 574 581 582 Surovec 2, zlitinaA357 579 582 587 3REZULTATI Z DISKUSIJO Vizualni pregled površine komponent ni pokazal nikakršnih opaznih površinskih napak. Tudi pregled z rentgensko napravo ni pokazal nobenih notranjih napak Sliki 4 in 5: Komponenta1 (toplotno obdelana) in komponenta2 (ulita), obe iz zlitine A 357 Figures 4 and 5: Component 1 (heat treated) and component 2 (as cast), both of A 357 alloy MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 M. TORKAR, B. BRESKVAR: PREISKAVE KOMPONENT ZA AVTOMOBILSKO INDUSTRIJO Sliki 6 in 7: Makrostruktura surovcev 1 in 2 iz zlitine A 356 in A 357 Figures 6 and 7: Macrostructure of slurry 1 and 2 of A 356 and A 357 alloy v obliki poroznih mest ali velikih vključkov. Zato smo vzorce razrezali na mestu največje debeline in izvršili še metalografski pregled. Surovca1 in 2 stabilaprerezananamestih merjenja temperature (TA, TB and TC). Na slikah 6 in 7 je prikazana makrostruktura, na slikah 8 in 9 pamikrostruktura na sredini surovca. Pregled makrostrukture in mikro- Sliki 8 in 9: Mikrostrukturasurovca1 iz zlitine A 356 in surovca2 iz zlitine A 357 Figures 8 and 9: Microstructure of slurry 1 of A 356 alloy and slurry 2 of A 357 alloy MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6 Sliki 10 in 11: Mikrostrukturakomponente 1 (stanje T5, 6 h pri 170 °C) in komponente 2 (lito stanje), iz zlitine A 357 Figures 10 and 11: Microstructure of component 1 (T5, 6 h a t 170 °C) and component 2 (as cast), from A 357 alloy strukture na vseh treh prerezih ni pokazal razlik med njimi, čeprav so meritve pokazale manjše razlike pri temperaturah. Mikrostrukturne preiskave so pokazale za postopek NRC značilna globularna zrna primarne faze ?Al ter enakomerno razporejen evtektik med zrni. Na posa- Sliki 12 in 13: Mikrostrukturakomponente 3 (stanje T5, 4,5 h 170 °C) iz zlitine A 357 Figures 12 and 13: Microstructure of component 3 (T5, 4.5 h at 170 °C) from A 357 alloy 409 M. TORKAR, B. BRESKVAR: PREISKAVE KOMPONENT ZA AVTOMOBILSKO INDUSTRIJO meznih globularnih zrnih smo opazili prstom podobne tvorbe (slike 10 do 13). Izvor tega še ni poznan, vendar padomnevamo, daje to posledicalokalnegapregretja, ki povzroči nataljevanje primarne faze zaradi tempera-turnegarežima. V območju blizu površine smo pri vseh vzorcih komponent opazili, da je med primarnimi zrni povečan delež evtektika. To je posledicagibanjaevtektikamed preoblikovanjem, pri čemer se več evtektika strdi pri površini komponente. Izmerjenaje bilatudi trdotakomponent v litem stanju in po toplotni obdelavi. Rezultati meritev so prikazani v tabeli 3. Izmerjene vrednosti so v okviru pričakovanih. Tabela 3: TrdotaHB 5/250 Table 3: Hardness HB 5/250 Material Trdota HB 5/250 Komponenta1 (ohišje) 97,2 Komponenta2 (nosilec v litem stanju) 75,8 Komponenta3 (nosilec v toplotno obdelanem stanju) 96,1 S termografijo je bil določen talilni interval za obe zlitini A 356 in A 357. Rezultati so prikazani v tabeli 4. Zareferenčnamaterialasmo uporabili čisti Al in čisti Zn. Tabela 4: Talilni interval surovcev Table 4: Melting range of slurries Material Talilni interval (°C) A 356 surovec 570 - 624 4 SKLEPI Izvršene so bile uvodne preiskave surovcev in komponent, izdelanih po NRC-postopku. Na podlagi opravljenih preiskav lahko naredimo naslednje sklepe. Z rentgensko neporušno preiskavo smo ugotovili, da v komponentah ni nezveznosti. Mikrostruktura zlitin je dokaj enakomerna in sestavljena iz globularnih zrn faze ?Al in evtektika. Trdotakomponent v litem in v toplotno obdelanem stanju je pričakovana. Interval strjevanja kaže, da so v surovcu izmerjene temperature TA, TB in TC blizu temperaturi tališča. ZAHVALA Avtorja se zahvaljujeva raziskovalnemu programu EZ zafinančno podporo projektapo pogodbi G1RD-CT-2002-03012 5 LITERATURA 1 H. Müller-Späth, P. R. Sahm: Razvojni dosežki na področju "Thixo-casting" postopka na livarskem inštitutu RWTH Aachen, Livarski vestnik, 44 (1997) 2, 33-42 2 H. Wabusseg, H. Kaufmann, A. Wahlen, P. J. Uggowitzer: Theoretische Grundlagen und praktische Umsetzungvon New Rheocasting von Al-Legierungen, Druckguss-Praxis, 1 (2002), 16-19 3 H. Kaufmann, P. J. Uggowitzer: The Fundamentals of the New Rheocasting - Process for Magnesium Alloys, Advanced Engineering Materials, 3 (2001) 12, 963-967 4 K. Hall, H. Kaufmann, A. Mundl: Detailed Processing and Cost Consideration for New Rheocasting of Light Metal Alloys, Proceedings 6th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, ed. G. L.Chiarmetta, M. Rosso, Torino, 2000, 23-28 A 357 surovec 570 - 615 410 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 6