Mikrostrukturna karakterizacija zlitine AISi6CuMg z dodatki samarija
Microstructural Characterization of AISi6CuMg Alloy vvith Additions of Samarium
Markoli B.1, S. Spaič, NTF, Oddelek za materiale in metalurgijo, Univerza v Ljubljani
Raziskave vpliva dodatka samarija na nastanek in razvoj mikrostrukture zlitine AISi6CuMg so pokazale predvsem njegov izrazit modifikacijski učinek pri izoblikovanju evtektskega silicija, ki se kaže v udrobnitvi, močnejšem razvejenju in zaobljenju robov silicijevih delcev. V zlitinah s samarijem ti delci med toplotno obdelavo hitreje sferoidizirajo. Poleg tega je opažena povečana nagnjenost vezave magnezija v spojino AI?CuMg m prisotnost nove ternarne spojine AI10Cu7Sm2 kot dodatne utrjevalne komponente. Ugotovljeni modifikacijski in konstitucijski učinki predstavljajo podlago za razlago izboljšanja trdnostnih lastnosti praktičnih zlitin z dodatki samarija.
Ključne besede: Al-zlitine, zlitina AISi6CuMg z dodatki samarija, mikrostruktura, izločanje
The investigation of samarium influence on the formation and development of microstructure of the AISi6CuMg alloy has shovvn its pronounced modification effect of samarium on teh formation of eutectic silicon by refinement, stronger branching and rounding of edges of the silicon particles. These particles sferni d ize faster during the heat treatment in alioys vvith samarium. Increased tendency of magnesium binding into AI2CuMg compound and presence of new ternary AI10Cu7Sm2 compound as additional strengthenmg component has been observed in these al'loys. The established modification effect and the effect on constitution of alloy represent the basis for explanation of the strength improvement in applicable ailoys vvith additions of samarium.
Key vvords: AI-alloys, AISi6CuMg alloy vvith samarium additions, microstructure precipitation
1. Uvod
Zlitina AISi6CuMg omogoča rešitve zahtevnih konstrukcijskih problemov v sodobni letalski in avtomobilski industriji. Pri tem pridejo do izraza njene visoke trdnostne lastnosti in predpisani raztezek, kar temelji na ustvarjanju ustrezne mikrostrukture zlitine'. Za to so potrebni določeni zlitinsko-tehnični ukrepi pri izdelavi in obdelavi zlitine, med katere v prvi vrsti sodi izredno učinkovita modifikacija mikrostrukturnih sestavin in faz v izhodni liti mikrostrukturi ter njihova sprememba pri določenih stanjih matrice med nadaljno obdelavo in predelavo zlitine234. Poleg tehnoloških parametrov z zlitinsko-tehničnimi ukrepi se ustvarijo pogoji za udrobnitev in spremembo oblike predvsem evtektskega silicija z dodatki določenih zlitinsko/modifikacijskih elementov. Modifikacijski elementi so praviloma iz skupine alkalnih, zemnoalka-Inih ali elementov redkih zemelj5. Uporaba le-teh je zlasti zanimiva, ker se njihov učinek pokaže ne le na
1 B. MARKOLI. dipl. inž.
NTF Univerza v Ljubljani
Ljubljana. Aškerčeva 12
primarni kristalizaciji temveč tudi pri razvoju mikrostrukture med termomehansko obdelavo zlitine. Sa-marij je eden od tistih elementov redkih zemelj, ki se v zadnjem desetletju pojavlja v sodobnih Al-zlitinah kot modifikacijski in/ali zlitinski element. O njegovem vplivu na konstitucijo in izoblikovanje mikrostrukture v zlitini AISi6CuMg pa v dostopni strokovni literaturi ni podatkov.
2. Eksperimentalno delo
K osnovni zlitini AISi6CuMg (A357 + 1,0% Cu) sestave: 6,5% Si; 1,0% Cu; 0,7% Mg; 0,15% Ti in razlika aluminij je dodajan samarij (0,10%, 0,25% in 0,50%) v obliki predzlitine Al-Sm (11% Sm). Zlitine so taljene v zaščitni argonski atmosferi in strjene s hitrostjo ohlajanja 150°C/min. Zlitine so toplotno obdelane v več stopnjah: 1. raztopno žarjenje 4 ure pri 495°C; 2. raztopno žarjenje 4 ure pri 520°C; 3. raztopno žarjenje 40 ur pri 525°C; 4. gašenje v ledeno mrzli vodi; 5. staranje 8 ur pri 170°C.
Z DTA (5°C/min; argon) je zasledovan potek strjevanja zlitin. S svetlobno mikroskopijo so pregledane
zlitine v vseh stanjih. Poleg svetlobne mikroskopije so za mikrostrukturno karakterizacijo zlitin uporabljeni: EMA, EDAX, rentgenska fazna analiza in presevna elektronska mikroskopija.
3. Rezultati in diskusija
Raziskave so pokazale, da dodatki samarija zlitini AISi6CuMg povzročijo opazne spremembe poteka strjevanja. Pri zlitini z 0,5% Sm se pojavi likvidus oz. začetek primarne kristalizacije (L aM) pri višji temperaturi (~10°C), kar velja tudi za binarno reakcijo </Ai + Si, kjer je temperatura začetka reakcije višja za 3°C. Poleg tega na krivulji DTA ni opaziti štirifazne reakcije L^ </AI+ Si + Mg2Si, obseg reakcije L -»aM + + Si + AI2Cu pa je izrazito manjši v primerjavi z zlitino brez samarija. Ugotovljene razlike so lahko le posledica spremenjene konstitucije zlitine, kar so potrdile mikrostrukturne raziskave. Tako je ugotovljena zmanjšana nagnjenost vezave magnezija s silicijem v Mg2Si in pojav pogostejše tvorbe ternarne spojine AI2CuMg. Podobno se spreminja tudi porazdelitev bakra, ki je povzročena poleg vezave v omenjeno fazo še s tvorbo ternarne spojine AI10Cu7Sm2. V obeh primerih pomeni, da v zlitinah s samarijem pride do odtegovanja zlitinskih elementov magnezija in bakra ter njune vezave v spojine, ki ne sodijo med značilne heterogene zloge neravnotežno strjenih zlitin brez samarija. Ugotovljeno je, da dodatki samarija poleg omenjenih konstitucijskih sprememb povzročijo tudi neki modifikacijski učinek, ki se kaže predvsem v oplemenitenju evtektskega silicija.
Značilne facetirane igličaste oz. ploščate tvorbe evtektskega silicija (si. 1a) se z dodatki samarija spremenijo v vlaknato ali "koralno" morfologijo s povečano nagnjenostjo k razvejenju in izrazitem
Jj
r \ t.
A * •%
* - *' 1.
« v
i « t^, t
*
'1 n

\ r *
%s / ■
' « ji ■ « j i-
h' *
i ■
--- , ,.«
. A*m	- t •, '* .
H C •* - ' v *
•i	-T i V /
, -r'.-.V" f
*
s,?
• > 1
•»
40 um
' F* XX 'S* •--1	•
(a)	(b)
a) brez dodatka samarija; b) z dodatkom 0.5% Sm
Slika 2: Svetlobnomikroskopski posnetki mikrostrukture zlitine AISi6CuMg v toplotno obdelanem stanju,
a) vvithout samarium;	b) with samarium (0.5%)
Figure 2: Optical micrographs of AISi6CuMg alloy microstructure after heat treatment,
zaobljenju facetiranih zunanjih robov delcev silicija(sl. 1 b). To oplemenitenje je vsekakor v zvezi z "zastrupljanjem" prednostne smeri rasti evtektskega silicija. Zaradi z modifikacijo povezanega limitaci-jskega učinka samarija, povzročenega povsem sodeč z adsorpcijo njegovih atomov na dvojčičnih ploskvah {111}Si, in zavrto rastjo v prednostni smeri (211 )Si, pride ne le do spremembe morfologije temveč tudi do udrobnitve evtektskega silicija.
Med raztopnim žarjenjem zlitin pride že po 5 urah do popolnega razpada skeleta evtektskega zloga in se začenja koagulacija evtektskega silicija, ki je
' - i < L ' V
(b)
a) brez dodatka samarija;	b) z dodatkom 0,5% Sm
Slika 1: Svetlobnomikroskopski posnetki mikrostrukture zlitine AISi6CuMg v litem stanju
a) vvithout samarium;	b) vvith samarium (0,5%)
Figure 1: Optical micrographs of AISi6CuMg alloy microstructure in as-cast state
(a)	(b)
a) grobi igličasti izločki faze AI2CuMg	b) iglice faze AI10Cu7Sm,
s posameznimi izločki faze Al Ji;	in ploščice faze AI2Cu
Slika 3: TEM posnetki izločkov v zlitini AISi6CuMg z dodatki 0,5% Sm,
a) coarse needle-shaped precipitates of AI?CuMg b) needles of AI10Cu7Sm2 phase phase vvith some precipitates of AUTi phase; and plates of AI2Cu phase
Figure 3: TEM micrographs of precipitates in AISi6CuMg alloy vvith samarium (0,5%)
končana po 30 urah (si. 2a). Čeprav je gonilna sila zato spremembo morfologije zmanjšanje površinske energije med aAI-fazo in Si-fazo in zmanjšanje površinske energije silicijeve faze, je ugotovljeno, da ta proces pri zlitinah s samarijem poteka nekaj hitreje (si. 2b). Temu pripomore v prvi vrsti že v litem stanju s samarijem povzročeno zaobljenje in udrobnitev delcev evtektskega silicija.
Značilnosti vpliva samarija na izhodno lito mikro-strukturo se skladajo z ugotovitvami TEM raziskav toplotno obdelanih zlitin glede vrste, oblike in porazdelitve izločkov v aM - matrici.
Tako je ugotovljena prisotnost dveh dominatnih izločevalnih faz, in sicer igličaste AI2CuMg in mestoma izločkov faze AI3Ti (si. 3a) ter silicijevih izločkov (velikosti pod 15 nm). Poleg tega je ugotovljena prisotnost tako nekoheretnih ploščatih izločkov faze AI2Cu kot tudi igličastih izločkov ternarne spojine Al10Cu7Sm2 (si. 3b).
4. Sklepi
Iz rezultatov mikrostrukturne karakterizacije zlitine AISi6CuMg sledi, da dodatek samarija vpliva na potek strjevanja in konstitucijo zlitine. Pri tem gre predvsem za izrazit modifikacijski učinek na izobliko-
vanje evtektskega silicija z udrobnitvijo in zaoblje-njem ter izrazitejšim razvejenjem silicijevih delcev. Poleg tega je ugotovljena povečana nagnjenost vezave bakra in magnezija v spojino AI2CuMg in pojav nove ternarne spojine AI10Cu7Sm2, kot dodatne utrjevalne komponente. Ugotovljeni učinki dodatkov samarija na konstitucijo zlitine AISi6CuMg in izoblikovanje mikrostrukturnih sestavin pojasnjujejo v praksi ugotovljeno izboljšanje predvsem trdnostih lastnosti.
5. Literatura
1 H. M. Tensi, J. Hogerl: Metallographische Gefugeunter-suchungen zur Oualitatssicherung von AISi-Gussteilen, Metali, 48, 1994, 776-781
JW. Reif, D. Subramanyam, W. Schneider: Untersuchun-gen zur Feinungsvvirkung und zum Feinungsmechanismus von Antimon am Beispiel der Legierung G-AISi7Mg, Giessereiforschung, 45, 1993, 9-18
3	H. M. Tensi, R. Rosch, C. Xu, S. Spaič: Beeinflussung und Festigkeit einer technischen AISi-Gusslegierung, Aluminium, 69, 1993, 634-641
4	D. Apelian, S. Shivkumar, G. Sigvvorth: Fundamental as-pects of heat treatment of čast Al-Si-Mg alloys, AFS Transactions, 97, 1990, 727-742
5	H. M. Tensi, J. Hogerl: Optimiranje trdnostnih lastnosti aluminijevih ulitkov za AIRBUS in AUDI A8. Zbornik referatov 36. livarskega posvetovanja, Portorož, 1995, 192-208